JP2009515488A - Nonlinear feedback control loop as a spread spectrum clock generator. - Google Patents
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Abstract
【課題】この特許開示は、クロック信号とその高調波から生成されるスプリアス放射のために、最大限可能な限りの出力密度の削減を提供するクロック信号のための、ランダム拡散を生成するために、クロック信号を拡散する回路、システムおよび方法を示す。
【解決手段】これらの新規な発明は、拡散スペクトラムクロックの生成において、支援のために非線形フィードバック制御ループ116を利用し、高価な遮蔽や他のEMI抑制方法を利用することなく、クロック信号とその高調波によって生成されるスプリアス放射のためのFCC要求に合格できる電子製品が得られる。
【選択図】図5This patent disclosure relates to generating random spread for a clock signal that provides the maximum possible power density reduction due to spurious radiation generated from the clock signal and its harmonics. Figure 1 illustrates a circuit, system and method for spreading a clock signal.
These novel inventions use a non-linear feedback control loop 116 for assistance in generating a spread spectrum clock, and without using expensive shielding or other EMI suppression methods, An electronic product is obtained that can pass FCC requirements for spurious radiation generated by harmonics.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、デジタル信号処理の分野に関し、特に、本発明は、拡散スペクトラムクロック発生装置を改良するための方法、回路およびシステムに関する。 The present invention relates to the field of digital signal processing, and in particular, the present invention relates to methods, circuits, and systems for improving a spread spectrum clock generator.
拡散スペクトラムクロック発生装置は、ここ10年で、電子的製品、特にPCの間で非常に普及し始めてきている。この技術は、クロック信号とその高調波のスプリアス放射のピーク強度を効果的に低減して、PCがより少ないRFシールドによって組み立てられるようにする。換言すると、コスト、重さおよび時間を削減した上に、電子製品のFCCによって設定される電磁障害(EMI)要求に合格する。この技術の原理は、クロック周波数の僅かな割合のバンド幅に、クロック信号の周波数を均一に拡散して、放射されたクロック信号エネルギーが常に1つの固定周波数にとどまらないようにする。その結果、クロック周波数とその高調波のクロック信号からのスプリアス放射のピーク強度は、拡散され、非常に低減される。どのようにクロック信号が拡散するかによって、ピークスプリアス放射の低減量が決定される。クロック信号の周波数を拡散する最も一般の方法は、クロック周波数の僅かな割合だけクロック信号の周波数を均一に拡散するために、線形の増加および減少を伴う三角変調信号(triangular modulation signal)を使用することである。三角変調信号を有するクロック拡散の典型的な反応は、図1に示す通りである。拡散は、現在の技術では一般的にたった8から14dbの拡散ロス102によって、クロック信号放射のピーク強度を効率的に減少する。残念なことに、三角変調による拡散では、クロック信号が拡散の両端にとどまることにより多くの時間を費やすので、クロック信号のエネルギースペクトラムは、クロックスペクトラムの両端で常に必然的にピークに達する。拡散波形を改良するために過去の10年の間に多くの技術が開発され、クロックエネルギーがより均一に拡散できるようになったが、全ての現在の技術はやり過ぎてしまう。これは、図1に示されるように真に均一にクロック信号を拡散するためにはランダムノイズが必要である一方で、今日使われる全ての拡散関数が確定性があるからである。残念なことに、現在の技術を用いてランダムノイズを伴うクロック信号を拡散するために、IC内部で拡散信号システムを実行することは、非常に難しい。したがって、スプリアス放射のピーク強度およびその調波をさらに低減するために、ランダムノイズを用いてより均一にクロック信号を拡散するより良い単純な方法が非常に望まれている。 Spread spectrum clock generators have become very popular in electronic products, especially PCs, in the last decade. This technique effectively reduces the peak intensity of the spurious emission of the clock signal and its harmonics, allowing the PC to be assembled with fewer RF shields. In other words, it passes the electromagnetic interference (EMI) requirements set by the FCC of the electronic product while reducing cost, weight and time. The principle of this technique is to evenly spread the frequency of the clock signal over a fraction of the bandwidth of the clock frequency so that the radiated clock signal energy does not always stay at one fixed frequency. As a result, the peak intensity of spurious emissions from the clock frequency and its harmonic clock signal is diffused and greatly reduced. The amount of reduction in peak spurious radiation is determined by how the clock signal is spread. The most common method of spreading the frequency of the clock signal uses a triangular modulation signal with a linear increase and decrease to spread the clock signal frequency evenly by a small percentage of the clock frequency. That is. A typical reaction of clock spreading with a triangular modulation signal is as shown in FIG. Spreading effectively reduces the peak intensity of the clock signal radiation by a spreading loss 102 of typically only 8 to 14 db in current technology. Unfortunately, spreading with triangular modulation spends more time on the clock signal staying at both ends of the spread, so the energy spectrum of the clock signal always peaks at both ends of the clock spectrum. While many techniques have been developed over the past decade to improve the spread waveform and the clock energy can be spread more uniformly, all current techniques are overkill. This is because all the spreading functions used today are deterministic while random noise is required to spread the clock signal truly uniformly as shown in FIG. Unfortunately, it is very difficult to implement a spread signal system inside an IC to spread a clock signal with random noise using current technology. Therefore, a better and simpler method of spreading the clock signal more uniformly with random noise is highly desirable to further reduce the peak intensity of spurious radiation and its harmonics.
現在、クロック信号を拡散する多くの方法があり、最も単純な方法は、PLLのプログラマブル分周器をディザリング(dither)して、変調されたクロック信号を生成することであって、最も複雑な方法は、クロック信号の変調のために拡散関数を格納するためにルックアップテーブルを使用することである。両方法は、VCOの周波数を拡散するために滑らかな変調信号を生産する。米国特許5610955が第1の方法を示し、米国特許6377646B1が第2のアプローチを示す。先に説明されるように、これらの方法は、VCOの変調のための滑らかな確定関数を提供するので、スプリアスクロック放射信号のエネルギーレベルが依然として非常に集中する。その結果、現在の技術は、拡散率によって、8〜14dbだけスプリアスクロック放射エネルギーのピークを低減する。米国特許5506545は、VCOを拡散するためにノイズソースを用いるアナログな解決策を提供する。この解決策は、クロック信号に真のランダムなブロードバンド拡散を提供するが、集積回路にこのアナログ設計を組み込むことは非常に難しい。 Currently, there are many ways to spread the clock signal, the simplest way is to dither the PLL programmable divider to produce the modulated clock signal, the most complex The method is to use a lookup table to store the spreading function for the modulation of the clock signal. Both methods produce a smooth modulated signal to spread the frequency of the VCO. US Pat. No. 5,610,955 shows the first method and US Pat. No. 6,377,646 B1 shows the second approach. As explained earlier, these methods provide a smooth deterministic function for the modulation of the VCO so that the energy level of the spurious clock radiation signal is still very concentrated. As a result, current technology reduces the spurious clock radiant energy peak by 8-14 db, depending on the spreading factor. US Pat. No. 5,506,545 provides an analog solution that uses a noise source to spread the VCO. While this solution provides true random broadband spreading to the clock signal, it is very difficult to incorporate this analog design into an integrated circuit.
4つの新規な方法およびシステムを開示する。これらは、非線形フィードバック制御ループを使用して、拡散スペクトラムクロック信号を生成し、大部分がデジタル設計を有して、ICへの実装に適している。 Four novel methods and systems are disclosed. They use a non-linear feedback control loop to generate a spread spectrum clock signal, mostly having a digital design, suitable for implementation in an IC.
これらの技術の裏にある原理は、非線形フィードバック制御ループを不安定にし、特定の周波数の振動を作ることである。一方、ループ固有のブロードバンドノイズに、そのループのフィードバックモジュールの変調も制御させる。ブロードバンドノイズ変調は、より高い拡散ロス161を提供でき、図1に示す三角変調がなす102と同じ量の周波数拡散で、それよりもはるかに多くスプリアスクロック放射のピークエネルギーを引き下げる。ブロードバンドランダムノイズにより変調されるクロック信号のエネルギースペクトラムは、また、三角変調によって変調されるクロック信号のエネルギースペクトラムよりも非常に滑らかである。ブロードバンドランダムノイズにより変調されるクロック信号にとって、クロック信号が規則正しく一の周波数または位相にとどまらないので、スプリアスクロック放射信号のエネルギーは可能な限り最小に低減される。その結果、ランダムノイズ変調は、同じ拡散率の下で、従来の三角変調と比較して、拡散ロスを非常に改良できる。 The principle behind these techniques is to destabilize the nonlinear feedback control loop and create a vibration at a specific frequency. On the other hand, the broadband noise specific to the loop also controls the modulation of the feedback module of the loop. Broadband noise modulation can provide a higher spreading loss 161, with much the same amount of frequency spreading as the triangular modulation 102 shown in FIG. 1, lowering the peak energy of spurious clock radiation much more than that. The energy spectrum of the clock signal modulated by broadband random noise is also much smoother than the energy spectrum of the clock signal modulated by triangular modulation. For clock signals that are modulated by broadband random noise, the energy of the spurious clock radiation signal is reduced to the minimum possible because the clock signal does not stay regularly at one frequency or phase. As a result, random noise modulation can greatly improve diffusion loss compared to conventional triangular modulation under the same spreading factor.
クロック信号の振動を変調するために非線形フィードバック制御ループの固有のノイズを用いることによって、ノイズがすでにループ中にあるので、極小ハードウェアを有するIC内部に容易にランダムブロードバンドノイズで変調される拡散スペクトラムクロック発生装置を造ることができる。これらの本発明の機能は、図面を参照しつつ、詳細に説明される。 By using the inherent noise of the non-linear feedback control loop to modulate the oscillation of the clock signal, the spread spectrum is easily modulated with random broadband noise inside the IC with minimal hardware because the noise is already in the loop A clock generator can be built. These functions of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(関連出願とのクロスリファレンス)
本出願は、2005年11月7日出願の米国仮出願60/734,222号、2005年11月17日出願の米国仮出願60/737,592号、2005年12月6日出願の米国仮出願60/742,764号、2006年1月4日出願の米国仮出願60/756,040号、2006年1月10日出願の米国仮出願60/757,645号、2006年6月27日出願の米国仮出願60/805,900号、2006年7月6日出願の米国仮出願60/806,639号、2006年8月23日出願の米国仮出願60/823,339号、および2006年9月23日出願の米国仮出願60/827,288号に関連し、また、2005年7月28日出願のPCT/US05/26842および2006年5月4日出願のPCT/US06/17856にも関連し、これらの全内容は、引用により本願明細書に組み込まれる。
(Cross-reference with related applications)
This application is filed with US provisional application 60 / 734,222 filed November 7, 2005, US provisional application 60 / 737,592 filed November 17, 2005, and US provisional application filed December 6, 2005. Application 60 / 742,764, US provisional application 60 / 756,040 filed January 4, 2006, US provisional application 60 / 757,645 filed January 10, 2006, June 27, 2006. US provisional application 60 / 805,900, US provisional application 60 / 806,639 filed July 6, 2006, US provisional application 60 / 823,339 filed August 23, 2006, and 2006 PCT / US05 / 26842 filed July 28, 2005 and PCT / US0 filed May 4, 2006 in relation to US provisional application 60 / 827,288 filed September 23, / 17856 also relates to, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
本発明を実行するためのベストモード
本発明は、システム、方法および回路に関し、非線形フィードバック制御ループを用いることによって、クロック周波数の僅かな割合のバンド幅に、クロック信号のエネルギーを均一に拡散する。この開示には異なる4つの非線形フィードバック制御ループがあり、すなわち、非線形到達時間ロックループ150、152と、非線形周波数ロックループ196、213と、非線形位相ロックループ171、166と、非線形振幅ロックループ135出ある。非線形フィードバック制御ループは、通常の線形フィードバック制御ループ、たとえば線形位相ロックループまたは線形周波数ロックループとは全く異なる。図2に示す線形フィードバック制御ループ100にとって、ループの出力信号−それはフィードバックモジュール105に対する最終エラー訂正出力115である−は、図3で示すエラー入力信号114の線形関数である。フィードバックモジュール105は、常に基準信号110を追跡するフィードバック信号112を生産するように、エラー入力信号114の極性と振幅により線形的に訂正される。フォワードモジュール163としてローパスフィルターが使用される場合、このローパスフィルターは、フィードバック信号112が急速に変化して、基準信号110にあまりに近づいて追従することを防止する。その結果、このフィルタは、基準入力信号110中の不必要な変動を除去するのに役立ち、ノイズを含む基準入力信号110から生成されるフィードバック出力信号112をきれいで安定的に提供できる。
Best Mode for Carrying Out the Invention The present invention relates to systems, methods and circuits, and uses a non-linear feedback control loop to evenly spread the energy of the clock signal over a fraction of the bandwidth of the clock frequency. There are four different nonlinear feedback control loops in this disclosure: nonlinear arrival time locked
図3に示す線形フィードバック制御ループ100の最終エラー訂正出力115の変換特性は、該ループが開かれる際のエラー検出器101への両方の入力からのシングルイベントを比較することによって得られた。理想的には、ゼロエラー入力信号114がゼロ最終エラー訂正出力115を生成するように、2つの入力信号の間にエラーがないときに、最終エラー訂正出力115は固定された一定バイアスのままでなければならない。最終エラー訂正出力115は、エラー入力信号114の極性によって、一定バイアスポイントからより大きくまたはより小さくなる。固定された一定のバイアスポイントに関して生成される最終エラー訂正出力115の量は、線形的にエラー入力信号114の絶対値に依存する。その結果、エラー入力信号114が大きくなる程、より多くの最終エラー訂正出力115がフィードバックモジュール105からフィードバック信号112を訂正するために生成されて、2つの入力信号間にエラーがなくなり、入力信号114がゼロになるまで、フィードバック信号112は、常に基準入力信号110を追跡することができる。
The conversion characteristics of the final
線形フィードバック制御ループ100を実行するために、線形に2つの入力信号間のエラーから、エラー出力信号117を生成する線形エラー検出器101が必要である。エラー検出器101は、概念的に2つのブロック、差分ブロック103とゲインブロック107に分割されることができる。差分ブロック103は、概念上のエラー入力信号114を、フォワードモジュール163を駆動するための実際のエラー出力信号117を生成するフィードバック制御ループ100とゲインブロック107に提供する。エラー検出器101を概念的に2つのブロックに分割するこの技術は、フィードバック制御ループ100のためにゲインを抽出し、ループ100の動作を容易に理解することを助ける。
In order to implement the linear
伝統的に、図4に示すように、エラー入力信号114はフィードバック制御ループ104の出力信号であり、基準入力信号110はフィードバック制御ループシステム104への単なる入力信号であると考えられていた。この定義は、フィードバック信号112に関連した全ての信号を出力信号として定義するのに非常に論理的なようであるが、しかしながら、この定義の下ではループ104を分析することは、非常に難しい。第一に、基準入力信号110は、ループのノード(ループの部分ではない)であるエラー検出器101に対する入力信号のうちの単なる1つである。図2に示すように、線形フィードバック制御ループ100は、たった3つのモジュール、すなわち、エラー検出器101、フォワードモジュール163およびフィードバックモジュール105だけを含むが、基準入力信号110を直接含まない。フィードバック制御ループ104は、実際に直接基準入力信号110に接続されず、フィードバック制御ループシステム104への入力として基準入力信号110を扱うことは、決定的な間違いである。第2に、フィードバック制御ループ104にスタートとエンドがないので、単独でフィードバック制御ループ104を分析する方法が本当にない。これらの問題を解決する唯一の方法は、図2に示すように、エラー検出器101を概念的に2つのブロックに分割し、フィードバック制御ループ100への入力としてエラー入力信号114を定義し、フィードバック制御ループ100の唯一の出力としてフォワードモジュール163の最終エラー訂正出力115を定義することであり、フィードバックモジュール105の目的は、最終エラー訂正出力信号115のために、基準信号110を追跡するためのフィードバック出力信号112を生成し、フィードバック制御ループ100のためにエラー入力信号114を最終的に生成することである。
Traditionally, the
この新規な定義を用いて、ループ100の各々のブロックの機能が明確に理解される。最終エラー訂正出力115の派生物(derivative)対エラー入力信号114の派生物を取ることによって、簡単に、フィードバック制御ループ100のゲインがわかる。図4に示す従来のフィードバック制御ループ104の定義において、2つのループゲイン、すなわち、開ループゲインと閉ループゲインが使用される。開ループゲイン113(A)は、エラー検出器101とフォワードモジュール163のゲインの組み合わせとして定義され、閉ループゲインは、開ループゲイン113(A)およびフィードバックモジュール105(β)の積(multiplication product)として定義される。この定義の大きな問題は、エラー検出器101のゲインをフォワードモジュール163のゲインに組み合わせることが、それらが完全に異なる装置であるので、非常に困難であることであり、また、それを直接測定することによって組み合わされた開ループゲイン113を特徴づけることも非常に困難であることである。組み合わされた開ループゲイン113が測定される場合であっても、開ループゲイン113の小さい重要ないくつかの詳細、たとえば、変換特性の不連続性によって生じる特異性は、簡単に見落とされ、軽視されてしまう。第2に、ループのタイプによって、閉ループゲインは異なる物理的意味を有し、ループゲインはもはや開ループゲイン113とフィードバックモジュール105の積を説明するための適切な言葉ではない。それにもかかわらず、これらの2つの名前がこの開示中に使用されるのは、長い間それらが使用されてきたからである。
With this new definition, the function of each block of the
エラー検出器101を概念的に分割する技術を用いるのでは、ループ100の残りの部分から別個にエラー検出器101を特徴づけなくてはならない。エラー検出器101は、単純に理論によって、あるいは、そのデバイス自身を測定することによって、特徴づけられる。複数のループ100がある場合、通常、ループ100が次第に単独になるエラー検出器101の変換特性の不連続性を見つけるのは難しい訳ではない。一旦、エラー検出器101が特徴づけられれば、最終エラー訂正出力115とループゲインの変換特性は、容易に見つけ出されることができる。
Using a technique that conceptually divides the error detector 101, the error detector 101 must be characterized separately from the rest of the
図2示すように、たった1つの変量を追跡する1次線形フィードバック制御ループ100、たとえば、AGCループまたはAFCループのために、開ループゲイン113(A)およびフィードバックモジュール105(β)の積は、どれくらい密接にフィードバック信号112が基準入力信号110を追跡するかを決定する。従来のフィードバック制御ループ104の古典的な解析のように、線形フィードバック制御ループ100は、次のように分析されることができる。開ループゲイン113(A)がエラー検出器107のゲインとフォワードモジュール163のゲインの両者により貢献されるので、フィードバック信号112は開ループゲイン113(A)とフィードバックモジュール(β)105を掛け合わせたエラー入力信号114と等しい。
As shown in FIG. 2, for a first-order linear
フィードバック信号112は、次のように表される。
The
Vf=(Vref−Vf)*A*β 方程式1
フィードバック信号は、次のように方程式1から解かれることができる。
V f = (V ref −V f ) * A *
The feedback signal can be solved from
Vf=Vref*Aβ/(1+Aβ) 方程式2
だから、フィードバック信号112は、Aβが無限である場合に限り、基準信号110と等しい。フィードバック信号112が基準信号110に本当に固定されることを保証するために、閉ループゲインは無限でなければならず、閉ループゲインが無限である場合に閉ループゲインの極性が何であるかは関係ない。1次線形方程式に2つ解法があるので、閉ループゲインの極性の無関係さが方程式2の不安定な特質を示す。
V f = V ref * Aβ / (1 + Aβ)
Thus, the
図6に示すように、線形エラー出力117をバイポーラ決定出力123に変えるために無限ゲイン130を有する増幅器が続く線形エラー出力117を生成するために線形エラー検出器101を使用することによって、あるいは、図5に示すように、直接バイポーラ決定出力123を生成するために非線形エラー比較器118を使用することによって、フィードバック制御ループのために無限閉ループゲインを生成する2つの方法がある。OPAMPが、通常、無限ゲイン130を有する増幅器として使用される。なぜなら、OPAMPは、無限DCを簡単に生成できる能動インテグレータとして構成されるからである。しかしながら、OPAMPは、多くの回路を必要とし、より多くの電流を消費する線形デバイスである。図5の設計が非線形フィードバック制御ループのための好適な設計であるように、非線形エラー比較器118を使用する解決策は、したがって、通常、無限のゲインを提供するより単純なより良い選択肢である。
As shown in FIG. 6, by using the linear error detector 101 to generate a
非線形エラー比較器118は、エラー入力114の量に関係なく、2つのデジタル状態、HまたはL状態で、決定出力123を生成できるだけである。エラー入力114の振幅が0から無限に線形に成長する際でも、非線形エラー比較器118の決定出力123が一定のままであるので、非線形エラー比較器118の実効ゲインは、一定の出力を維持するために、1/(エラー入力)に比例して生成されなくてはならない。その結果、エラー入力114がゼロであるときに、非線形エラー比較器118のゲインは無限に近づく。
Non-linear error comparator 118 can only generate
非線形フィードバック制御ループが完全に基準入力信号110にローカルフィードバック信号112を固定する場合、最終エラー訂正出力115は、常に基準入力信号110に等しい安定したフィードバック信号112を生成するために一定のDCに維持されなくてはならず;フィードバックモジュール105に対するさらなる訂正はもはや必要でなく、非線形エラー比較器118または線形エラー検出器101に対する2つの入力信号(基準入力110からのものと、フィードバック出力112からのもの)が固定され、いつも同等だから、エラー入力信号114は常にゼロである。その結果、たとえば、非線形エラー比較器118を用いて、エラー入力114がゼロのときに無限ループゲインをループに提供するか、たとえば、アクティブフィルタとして構成されるOPAMPを用いて、ゼロエラー入力114から一定のDCで有限の最終エラー訂正出力115を生成するためにループに無限のDCゲインを提供することによって、ループの固定状態を維持できる。図5で使用される非線形エラー比較器118と、図6で使用される無限ゲイン130を伴う増幅器を有する線形エラー検出器101は、非線形フィードバック制御ループ116と120をサポートするために必要な無限ゲインを提供できる。
If the non-linear feedback control loop completely locks the
無限閉ループゲインを伴う線形フィードバック制御ループ100は、図5および図6に示される非線形フィードバック制御ループ116と120になる。それが非線形フィードバック制御ループになる理由は、図7に示すように、フィードバックモジュール105に対する最終エラー訂正出力115が2つの安定したデジタル状態、HあるいはLだけしか有さないからである。図7で示すフィードバックモジュール105に対する最終エラー訂正出力115の変換特性は、非線形フィードバック制御ループが開かれるときに、非線形エラー比較器118または線形エラー検出器101への各2つの入力信号からのシングルイベント(single event)を比較することによって得られる。図5に示す非線形エラー比較器118を使用している非線形フィードバック制御ループ116の設計にとって、エラー入力信号114の極性が変更されるまで非線形エラー比較器118が永遠に現在の状態にあるので、非線形エラー比較器118の決定出力123は、エラー入力信号114の強弱に関わらず、エラー入力信号114が正のときにHのままであり、エラー入力信号114が負のときにLのままである。非線形エラー比較器118が両方の入力からのシングルイベントを比較するときに、非線形エラー比較器118の決定出力123が永遠にHまたはLのどちらかの状態のままであるので、非線形エラー比較器118が最終エラー訂正出力115を電源のレールに駆動してループ116が非線形フィードバック制御ループにならないように、フィードバック制御ループ116には何もない。図6に示す無限ゲイン130を伴う増幅器を有する線形エラー検出器101を使用している非線形フィードバック制御ループ120の設計にとって、増幅器130の決定出力123は、エラー入力信号114が正のときに永遠にHのままであり、エラー入力信号114が負のときに永遠にLのままであるので、最終エラー訂正出力115の出力は、まるで非線形エラー比較器118から生成された最終エラー訂正出力115のようである。
The linear
前述のように、線形フィードバック制御ループ100の最終エラー訂正出力115の変換特性は線状であり、このため、最終エラー訂正出力115は、エラー入力114の極性と大きさに従って生成されることができ、非線形フィードバック制御ループ116および120の最終エラー訂正出力115の変換特性はバイナリであり、2つのデジタル状態のエラー入力信号114の極性によって生成される。図3に示す線形フィードバック制御ループと図7に示す非線形フィードバック制御ループとの変換特性は、ループが開かれているときに、非線形エラー比較器118および線形エラー検出器101に対する各2つの入力からのシングルイベントを比較することによって得られ、これにより、理論的には、単に、基準入力110とフィードバック入力112の両者に単一の入力信号を供給して、最終エラー訂正出力115を審査することによって、フィードバック制御ループが線形か非線形かを特定できる。最終エラー訂正出力115が正または負の電源レールのいずれかに単にとどまれる場合、ループは非線形フィードバック制御ループに違いなく、最終エラー出力115が正または負の電源レール以外のレベルにとどまれる場合、それは線形フィードバック制御ループに違いない。本質的に、線形フィードバック制御ループ100の最終エラー訂正出力115は、正または負の電源レールが正または負のレールのいずれにも決して到達しない。残念なことに、最終エラー訂正出力信号115を生成して維持するループフィルタ周辺に、リーク電流がある場合、または、線形エラー検出器101の線形ダイナミックレンジが小さすぎて、線形エラー検出器101が大きいエラー入力114によってでも容易に飽和する場合、リーク電流は、十分な時間があれば、リーク電流の弱さに関わらず、複数の電源レールのうちのいずれか1つに到達する最終エラー訂正115の出力をプッシュすることができる。その結果、十分な時間、または十分に大きいエラー入力信号114が与えられる場合、線形フィードバック制御ループ100は、実際に非線形フィードバック制御ループになりえる。一方、非線形フィードバック制御の動作周波数が高すぎて、装置のスルーレートリミットのために決定出力123と最終エラー訂正出力115の両者が電源のレールに到達する機会が決してない場合、非線形フィードバック制御ループは、線形フィードバック制御ループになる。したがって、十分な時間と十分に大きなエラー入力信号114が与えられれば、線形フィードバック制御ループは非線形フィードバック制御ループになることができ、少ない時間が与えられれば、非線形フィードバック制御は線形フィードバック制御ループにもなることができる。その結果、フィードバック制御ループにとって、図3および図7で変換特性を審査して生成する際に、エラー入力信号114の制限と同様に時間制限が適用されるべきである。時間制限はループの実際の動作周波数に適合されなければならず、エラー入力信号114はシステム中で起こりうる実際の最大エラー入力信号でなければならない。適当な時間制限とエラー入力信号114上の制限が最終エラー訂正出力115の測定の実行に使われない限り、フィードバック制御ループのタイプは決して正しく決定されない。
As described above, the conversion characteristic of the final
フィードバック制御ループを作動または設計する際に、フィードバック制御ループが線形か非線形かを決定することは重要であり、これは、フィードバック制御ループが各状況で全く異なって働くからである。それは、ループフィルタのための小さいコンデンサを使用し、低い比較周波数で操作される線形フィードバック制御ループには特に重要である。なぜなら、小さいコンデンサは、非常に長い間ループフィルタに電荷を維持できず、最終エラー訂正電圧115は、エラー訂正が終わった後、素早く帯電または放電されて、線形フィードバック制御ループが知らないうちに非線形フィードバックループになりうるからである。
When operating or designing a feedback control loop, it is important to determine whether the feedback control loop is linear or non-linear because the feedback control loop works quite differently in each situation. It is particularly important for linear feedback control loops that use small capacitors for loop filters and operate at low comparison frequencies. Because the small capacitor cannot maintain the charge in the loop filter for a very long time, the final
図5に示す非線形フィードバック制御ループは、3つのモジュール、非線形エラー比較器118、フォワードモジュール163およびフィードバックモジュール105でできている。基準入力信号110とフィードバックモジュール105からのフィードバック信号112との差分に基づいて、非線形エラー比較器118は、2つのデジタル状態、HまたはLの一方で決定出力信号123を生成する。2つの極性での正出力または負出力として、非線形エラー比較器118の決定出力123での2つのデジタル状態が説明されうる。決定出力信号123の極性は、基準入力信号110およびフィードバックモジュール105からのフィードバック信号112間の差分信号でもあるエラー入力信号114の極性により決定される。エラー入力114が正の場合、非線形エラー比較器118の決定出力123はHであり、エラー入力114が負である場合、非線形エラー比較器118の決定出力123はLである。エラー比較器118の決定出力123は、エラー入力信号114の振幅ではなく、エラー入力信号114の極性に影響を受けうるだけである。非線形エラー比較器118は、線形エラー検出器101と非常に異なる。図6に示す線形エラー検出器101にとって、線形エラー検出器101のアウトプットにおけるエラー出力信号117の極性と振幅は、エラー入力信号114の極性と振幅に影響を受ける。その結果、線形エラー検出器101からの線形エラー出力信号117を、バイポーラのデジタル決定出力123に変換するために、無限ゲイン130を有する増幅器を必要とする。したがって、無限ゲイン130を伴う増幅器を有する線形エラー検出器101は、効果的に非線形エラー比較器118となる。その結果、非線形フィードバック制御ループ120は、また、図6に示される4つの構成要素、すなわち、線形エラー検出器101、無限ゲイン130を伴う増幅器、フォワードモジュール163およびフィードバックモジュール105から形成される。
The non-linear feedback control loop shown in FIG. 5 includes three modules, a non-linear error comparator 118, a
フォワードモジュール163を通過した後に、決定出力123は、フィードバックモジュール105を制御するための最終エラー訂正出力115になる。フィードバックモジュール105は、それから、ループを閉じるために非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101へ訂正されたフィードバック出力信号112を生成する。基準信号110がフィードバック信号112より大きい場合、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101は、フィードバックモジュール105が基準入力信号110およびフィードバック信号112間の差を減らすためにフィードバック信号112を増加するように、正の決定出力123を生成する。基準信号110がフィードバック信号112より小さい場合、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101は、フィードバックモジュール105が基準入力信号110およびフィードバック信号112間の差を減らすためにフィードバック信号112を減少するように、負の決定出力123を生成する。非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101に対する2つの入力信号が同等で、固有のノイズに起因しさらに決定出力123がHまたはL状態のいずれか一方にしか止まれないので、エラー入力信号114がゼロのときでも、非線形フィードバック制御ループのフィードバック訂正は、絶えず続く。その結果、非線形フィードバック制御ループ116および120のフィードバック信号112は、基準入力信号110と正確に等しくなることはない。その代わりに、フィードバック信号112は、固有のブロードバンドノイズに起因して、ランダムに基準入力信号110辺りで、常に揺れている。対照的に、ループがロックされるときに、1次線形フィードバック制御ループ100のエラー入力信号114は非常に小さい。有限のエラー入力信号114がフィードバック信号112を生成するために必要であるので、線形エラー検出器101に対する2つの入力信号は、1次線形フィードバック制御ループとは、決して正確に同等にはならない。
After passing through the
閉ループゲインが無限である場合、閉ループゲインの極性が無関係であるという事実を理解することは非常に難しい。どの程度であるか?閉ループゲインの極性が無関係である理由は、次の通りである。フィードバック制御ループは、閉ループゲインが無限のときに、非線形フィードバック制御ループ120および116になり、非線形フィードバック制御ループの全ての構成からの伝搬遅延時間と待ち時間遅延時間の両方を包む固有のループ遅延に起因して揺れているからである。非線形フィードバック制御ループが揺れる理由がわかって、図8に示すように非線形フィードバック制御ループ116と120の取得動作を理解する必要がある。この図では、横軸が時間を示し、実線で示される第1の垂直軸が基準入力信号110およびフィードバック信号112間の差を示すエラー入力信号114を示し、点線で示される第2の垂直軸がバイナリ決定出力123を示す。
If the closed loop gain is infinite, it is very difficult to understand the fact that the polarity of the closed loop gain is irrelevant. How big is it? The reason why the polarity of the closed loop gain is irrelevant is as follows. The feedback control loop becomes a non-linear
取得プロセスを開始する中で、非線形フィードバック制御ループ116および120は、ロックされず、2つの入力信号間の差は大きい。たとえば、取得プロセスの始まりにおいて、基準入力信号110がフィードバック信号112より非常に大きいため、基準入力110およびフィードバック入力信号112間の差を減少するためにフィードバックモジュール105がフィードバック信号112を増加するように、決定出力123が正であると仮定する。2つの入力信号間の差が減少され、次第に、2つの入力信号は、時間t=T0552で同一になる。理想的には、時間t=T0552を過ぎた直後に、フィードバックモジュール105に対する訂正は、直ちに止められなければならない、しかしながら、非線形フィードバック制御ループ116および120の決定出力123は、2つのデジタル状態のHまたはLのいずれかにしか止まれず、ループの構成に固有の伝搬遅延時間と待ち時間遅延時間であるので、決定出力123は、時間t=T0552を過ぎた後でもH状態に止まっており、フィードバックモジュール105にフィードバック信号112を増加させ続けて、基準信号110およびフィードバック信号112間の差を時間t=T0552後に負にする。その結果、決定出力123は、すぐに負になるはずであるが、しかしながら、固有のループ遅延時間が原因で、ループ遅延時間が時間t=TA554を超えた後に、決定出力123は負になることができ、合計ループ遅延時間t=TA554が終わるまで、ループは常にフィードバックモジュール105を間違った方向に作用させ続ける。時間t=TA554の時、決定出力123は、フィードバックモジュール105にフィードバック信号112を低減させるために、ついに負に切り替えられる。ループは、T=0のT0552からTA554の間の期間に生じる誤りを訂正し始める。非線形エラー比較器118と無限のゲイン130を伴う増幅器とが同じ速度で最終エラー訂正出力115をポンプアップおよびポンプダウンすると仮定して、ループは、ループ遅延期間の間にすでに作られた誤りを訂正するためだけにTA554と同程度の時間を要する。TA554の約2倍のT1560近辺の時間で誤りが訂正された後、ここで、エラー入力信号114はほぼゼロの決定しきい値164近くであり、非線形エラー比較器118および線形エラー検出器101は、いつでもその出力の極性を切り換えるための新たな決定ができ、新たな決定は容易にノイズに影響を受けうる。もう一度、ループ遅延時間が原因で、決定出力123は、t=T1560で新たな決定がなされた後でも、すぐにはフィードバック信号112を訂正する指示を変更せず、その代わりに、決定出力123は、ループ遅延時間が最終的に終わるTC562までフィードバック信号112の減少を続ける。その結果、ループ遅延期間T1560からTC562の間、ループがフィードバックモジュール105に間違った方向に作動させるt=T1560からTC562の間に、フィードバック信号112は、減少が続けられる。同じ動作が、それから繰り返される。その結果、非線形フィードバック制御ループ116および120のための決定出力123は、常に正および負の間で揺れ動き、決定出力123の極性を切替える時間が非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の決定しきい値164周辺のノイズによって決定され、決定出力123の極性を切替える時間がその揺れ動きの各サイクルで異なる。
In initiating the acquisition process, the nonlinear
非線形フィードバック制御ループ116および120のフォワードモジュール163は、通常、非線形エラー比較器118からの雑音が多いデジタル決定出力123を低減するローパスフィルターと、フィードバックモジュール105のために線形の最終エラー訂正出力115になる無限ゲイン130を伴う増幅器とでできている。その結果、揺れる決定出力123は、最終エラー訂正出力信号115を、線形的に強めたり、弱めることを引き起こす。最終エラー訂正出力115を強めたりすることは、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の決定しきい値164周辺のノイズによって、ランダムに決定される方向を変更し、最終エラー訂正出力115を強めたりすることは、最終エラー訂正出力115の強弱によって非線形フィードバック制御ループ116および120がフィードバック出力信号112を生成するように、全ての揺れ動きサイクルで異なる時間に方向を変更する。フィードバック出力信号112は、それからランダムに基準入力信号110周辺で上昇および下降するので、所望の拡散スペクトラムクロック出力信号109となる。
The
固有のループ遅延時間は、揺れ動き期間の半分の間に、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101に最終エラー訂正出力115を間違った方向に強めたり、弱めたりする間違いを起こさせる原因となるので、揺れ動き期間の他の半分が、ループ遅延期間の間に生じた誤りを訂正するために必要となる。その結果、最終エラー訂正出力115の強弱による変調信号の全揺れ動きサイクルは、ループ遅延時間の間は誤った決定出力123により、ループ遅延時間が終わったときは正しい決定出力123によって、2つのほぼ等しい部分によって貢献される。閉ループゲインの極性が反転する場合、非線形エラー比較器118および線形エラー検出器101は、まだ揺れ動き期間の半分の間で誤りを作る。しかし、非線形エラー比較器118と検出器101が誤りを生成しているループ遅延期間の間、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101は、実際間違って正しい方向に最終エラー訂正出力115を動かし、非線形エラー比較器118または線形エラー検出器101は、間違った方向に最終エラー訂正出力115を動かすような訂正決定をし始めることもある。その結果、閉ループゲインが無限の場合、閉ループゲインの極性は全く関係ない。非線形フィードバック制御ループは、揺れ動き期間の半分の時間の間、正しい最終エラー訂正出力115を生成し、残りの半分の時間の間、誤った最終エラー訂正出力115を生成する。
The inherent loop delay time causes the non-linear error comparator 118 and the linear error detector 101 to make a mistake in strengthening or weakening the final
1次非線形フィードバックループ116および120の揺れ動きは、図8に示すように、フィードバックモジュール105を調整するために強められあるいは弱められ、フィードバック出力信号112は、ループの揺れ動きによって調整される。図8で示す1次非線形フィードバック制御ループ120および116の取得動作は、取得フェーズ542および振動フェーズ564の2つのフェーズに分けることができる。一度エラー入力信号114が初めてゼロになると、ループは、振動フェーズ564に入る。非線形フィードバック制御ループ120および116が振動フェーズ564において作動されるときに、閉ループゲインの極性が非線形フィードバック制御ループ120および116にとって無関係であるにもかかわらず、閉ループゲインの極性は、取得フェーズ542の間、依然として正しくなくてはならない。さもないと、非線形フィードバック制御ループ120および116は、振動フェーズ564を決して入ることがなく、永遠にHまたはL状態の一方にとどまることとなってしまう。
The swing motion of the first order
非線形フィードバック制御ループ120および116は、振動を開始するために常に基準入力信号110を要求し、そして、ループ120および116は、基準入力信号110から調整されたフィードバック出力信号112を生成する。基準入力信号110なしでは、非線形フィードバック制御ループ116および120の最終エラー訂正出力115は、永遠にL状態にとどまる。基準信号入力110が到着すると、非線形フィードバック制御ループ116および120は、振動を始め、振動期間がトータルループ遅延時間により決定され、ループ116および120の振動信号は、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の決定しきい値164周辺で、ループ116および120内部ブロードバンドノイズに影響を受けるので、変調信号の各サイクルの開始および終了がそのノイズにより決定され、それぞれ異なる。対照的に、線形フィードバック制御ループ100の振動は、線形フィードバック制御ループ100が振動するときに、正確に−1の閉ループゲインを生成する周波数に対してだけ起こり、広いバンド幅を超える−1の閉ループゲインを維持することが不可能ではないが通常非常に困難であるので、いかなる基準入力信号110を必要とせず、振動はナローバンドである。
Non-linear
非線形フィードバック制御ループ116および120の振動は、事実上、ブロードバンドである。なぜなら、最終エラー訂正出力115の増減は、非線形フィードバック制御ループ116と120の固有のノイズに起因して、フィードバックモジュール105をランダムに調整するための方向を変更するからである。最終エラー訂正出力115を増減させることは、変調信号のあらゆるサイクルにとって、異なる時間に方向を変更することとなる。非線形フィードバック制御ループ116および120の振動のバンド幅は、ループフィルタのバンド幅により決定される。非線形フィードバック制御ループ116および120の振動周波数がループ116と120周辺のトータル遅延時間により決定されるにもかかわらず、振動の拡散は、主にループフィルタにより決定される。
The vibrations of the non-linear
非線形フィードバック制御ループ116および120の振動動作は、また、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101との決定しきい値164の特性により決定される。非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101との決定しきい値164が曖昧でなく正確な場合、最終エラー訂正出力115の増減は、フィードバック信号112がエラー入力信号114に決定しきい値164を越えさせた後に、非線形エラー比較器118および線形エラー検出器101に決定出力123の極性を変更させることができるだけである。決定出力123の変化の引き金となるために、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の決定しきい値164をエラー入力信号114が越えなければならないので、前回のループ遅延期間の間に生じた誤りと少なくとも同量によってフィードバック信号112を訂正するための前回のループ遅延期間中の増減として、同量の時間以上、最終エラー訂正出力115は増減されなくてはならない。その結果、最終エラー訂正出力115の第2の増減の期間は、第1の増減よりも長く続く可能性が非常に高く、最終エラー訂正出力115の第3の増減の期間も、第2の増減よりも長く続く可能性が非常に高い。同様に、最終エラー訂正出力115の増減期間が常にサイクルを重ねるごとにより長く成長する可能性が非常に高くなるように、全ての連続する増減は、前回の増減よりも長く続く可能性が高い。
The oscillating behavior of nonlinear
非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101が正確でなく、大きな不確実時間枠を有する場合、そして、エラー入力信号114がその不確実時間枠中に入るときはいつでも、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101からの決定出力123は急に極性を変更できる。非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の出力は、エラー入力信号114がまだ負であってもHとなり、エラー入力信号114が正であってもLでありうる。これらのような間違った決定は、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101からの次の決定出力123が依然としてエラーである可能性が低いので、通常とても寿命が短く、エラー入力信号114が不確実時間枠の範囲内であるときに、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101からの出力は素早くHとLの間で入れ代わることができる。その結果、非線形エラー比較器118と不確実性決定時間枠を伴う線形エラー検出器101は、多くの性急でノイズが多く間違った決定出力123を生成する可能性があり、これらの間違った決定が互いに相殺し、最終エラー訂正出力115の各増減が非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101に決定出力123を切替えさせる前回の増減より長く続く必要はないので、最終エラー訂正出力115は、単に成長できない。エラー入力信号114が不確実時間枠の範囲内であるときはいつでも、非線形エラー比較器118および線形エラー検出器101は、決定出力123を切替えることができる。対照的に、決定に曖昧性のない正確な非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101のために、エラー入力信号114は、非線形エラー比較器118および線形エラー検出器101に決定出力123を切替えさせるために、決定しきい値164を常に超えなければならない。その結果、大きい不確実時間枠を伴う非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101にとって、フィードバックモジュール105を調整するために最終エラー訂正出力115を成長させることは、非常に難しい。
If the non-linear error comparator 118 and the linear error detector 101 are not accurate and have a large uncertainty window, and whenever the
拡散スペクトラムクロック出力109の拡散効果は、フィードバックモジュール105を調節する最終エラー訂正出力115の変調波形に完全に依存する。理想的には、最終エラー訂正出力115上の変調波形は、振幅、周波数および位相がランダムでなければならない。ランダムな振幅、周波数および位相を有する変調信号だけが、拡散スペクトラムクロック出力のために、最も高く拡散しうるロスを生成できる。この理想的な変調波形は、現在、生成することが非常に困難である。他の最善策は、最終エラー訂正出力115の信号上の決定性の変調信号上に、ランダムな振幅、周波数および位相を有する変調信号を生成することである。この解決策の効果は、決定性信号の振幅に対するランダムな信号の振幅の割合に完全に依存する。最も効果が小さい代替案は、現在最も普及している技術である最終エラー訂正出力115上に一定の決定性変調信号を使用することである。非線形フィードバック制御ループ116と120を有する完全な拡散スペクトラムクロック発生装置を設計するという我々の目的が、できるだけ変調信号が、振幅、周波数および位相においてランダムとなるように、最終エラー訂正出力115上の変調波形を制御することであるということは極めて明確である。
The spreading effect of the spread
最終エラー訂正出力115上の成長する変調信号は、拡散スペクトラムクロック発生装置のための完全な拡散を容易に生成する。なぜなら、変調信号の成長は、永遠に続くことができず、ある時間において、その成長プロセスは、リセットまたは停止されるからである。成長プロセスが停止される場合、最終エラー訂正出力115上の変調信号は、それからループの固有ノイズに起因するいくつかのレベルの範囲内で変動する。最終エラー訂正出力115上の変調信号の振幅がいくつかの範囲内で変動できるだけであるので、クロックの拡散は完全でない。最終エラー訂正出力115上の変調信号の成長プロセスがリセットされる場合、新規な成長プロセスが小さい振幅から再開でき、その結果、最終エラー訂正出力115上の変調信号の振幅、周波数および位相は、完全にランダムになることができる。最終エラー訂正出力115上の成長する変調信号は、規則正しくおよびランダムにリセットされ、完全なブロードバンドスペクトラム出力信号112を生成するためのフィードバックモジュール105を調節する最終エラー訂正出力115上に完全な変調信号を生成できる。
The growing modulation signal on the final
最終エラー訂正出力115上の変調信号の成長は、2つの要素により決定される。第1の要素は、上述のように、決定しきい値164の正確性と精密性である。第2の要素は、最終エラー訂正出力115の増減のスルーレートである。最終エラー訂正出力115の増減のスルーレートが遅い場合、ループ遅延の間にフィードバック信号112に起こる変化が、決定しきい値164周辺のランダムノイズ量よりも小さくなることができる。その結果、決定しきい値164周辺のノイズは、ループ遅延期間の間に起こる変化を簡単に消去し、最終エラー訂正出力115上での変調信号の成長は、難しくなる。最終エラー訂正出力115上で変調信号の成長を生成するために、最終エラー訂正出力115の増減のスルーレートを高めることが必要であり、これにより、フィードバック信号112が決定しきい値164周辺のノイズによって生じる不確実性より大きな量によって変更される。ループ遅延の間に起こる変化量に対する決定しきい値周辺のノイズ量の比率は、最終エラー訂正出力115上の変調信号の成長が、最終エラー訂正出力115上の変調信号をリセットするためのリセット信号を生成するのに十分長く続くかどうかを決定する。
The growth of the modulation signal on the final
PCT出願「到着時間ロックループ(Arrival-time Locked Loop)」に詳細が説明されているように、たとえば、到着時間ロックループやPLLのような、2つの変数を追う第2次フィードバック制御ループにとって、ループゲインとフィードバックモジュールの掛け合わせ製品は、どれだけ速くフィードバック信号112を案内できるか、あるいは、どれだけ速くフィードバック信号112を消滅できるかを決定する。上述のように、第2次非線形フィードバック制御ループの取得動作は、僅かに第1次非線形フィードバック制御ループと異なり、第2次非線形フィードバック制御ループの取得動作は、非線形到着時間ロックループのセクションにおいて説明される。
As described in detail in the PCT application "Arrival-time Locked Loop", for example, for a secondary feedback control loop that follows two variables, such as an arrival time locked loop or a PLL, The product of the loop gain and the feedback module determines how fast the
ほとんどのアプリケーションにとって、線形フィードバック制御ループ100は、我々がこれまでに必要とした全てである。線形フィードバック制御ループ100は、ノイズが多い入力信号を管理し、また、システムの揺らぎを低減することを助ける。線形フィードバック制御ループ100は、ノイズが多いソースからきれいな信号を提供できる。線形フィードバック制御ループ100は、我々の日常生活の至る所に適用されている。
For most applications, the linear
しかし、非線形フィードバック制御ループ120および116のコンセプトは、比較的新しく、ちょうど線形フィードバック制御ループ100の反対である。非線形フィードバック制御ループ120および116は、常に不安定であり、それは、きれいな安定した基準信号110から、我々に予測不可能なフィードバック出力信号112を提供できる。非線形フィードバック制御ループ116および120は、拡散スペクトラム技術が普及した現在までは我々にとって全く役立たず、FCC調整を満足する電子製品を助けるのに役立つものであった。非線形フィードバック制御ループ116および120は、その不安定な特質と固有のブロードバンドランダムノイズの可用性とに起因する、ランダム変調を伴う真の拡散スペクトラムクロック信号を生成するのに最高の方法である。
However, the concept of nonlinear
非線形エラー比較器118を使用している図5で示す非線形フィードバック制御ループ116、または、図7に示す変換特性を有する非線形最終エラー訂正出力115を生成するために無限のゲインを伴う増幅器を有する線形エラー検出器101を使用している図6で示す非線形フィードバック制御ループ120にとって、システムの入力に対するシステムの出力の導関数を取ることによって、システムのゲインが得られるので、エラー入力信号114の導関数に関して、図7に示す最終エラー訂正出力115の導関数を取ることによって、非線形フィードバック制御ループ116および120のゲインをプロットすることができ、図9中でプロットされる結果が得られる。非線形フィードバック制御ループ116および120がエラー入力信号114の+/−ε201という非常に小さい範囲内で正のループゲインを生成できるだけであるので、非線形フィードバック制御ループ116および120は、常に+/−ε201のこの小さい誤差範囲内で、基準入力信号110を追うフィードバック信号112を生成する。ε201のサイズは、システムのノイズバンド幅によって、完全に決定される。フィードバック信号112は、+/−ε201の小さい誤差範囲内で、基準入力信号110周辺で常に変動する。
A linear
非線形エラー比較器118がエラー入力信号114の量に関係なく、HまたはL状態の出力を生成できるだけであるので、非線形エラー比較器118は無限ゲインを伴う線形エラー検出器として取り扱われ、非線形エラー比較器118の出力は、そのバイポーラ特性をより表すために123と名づけられる。その結果、フィードバックモジュール105は、常にある方向に押され、あるいは、他の方向に引かれ、フィードバックモジュール105に対する最終エラー訂正出力115は、常に、上下に増減され、システム116および120は決して安定しない。フォワードモジュール163として大きな時定数を有するループフィルタを使用することは、ループのノイズバンド幅が小さいように、そして、+/−ε201の誤差範囲がとても小さいので非線形フィードバック制御ループ116および120が安定したフィードバック信号112を生成する線形フィードバック制御ループ100みたいに実際に動作するように、非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101とがフィードバックモジュール105を素早く訂正することを妨げるにもかかわらず、本質において、非線形フィードバック制御ループ116および120は、さらに不安定である。非線形フィードバック制御ループ116および120のループゲインが無限であるので、フィードバック信号112は方程式2に示すように正確に基準入力信号110を常に追う。このユニークな機能は、非線形フィードバック制御ループ116および120を非常に魅力的にし、非線形フィードバック制御ループ116および120を線形フィードバック制御ループ100よりとても優れたものにする。たとえば、線形自動周波数制御回路(AFC)は、決して、基準入力信号110と同じ周波数でフィードバック信号112を生成しないが、非線形周波数ロックループは、通常の第2次到着時間ロックループのように、簡単にそれをする。非線形周波数ロックループが単一の変数だけを追うことを必要とする第1次ループであるので、非線形周波数ロックループのために基準信号110を獲得してロックする時間は、第2次到着時間ロックループよりも、少なくて済む。
Since the non-linear error comparator 118 can only produce an H or L state output regardless of the amount of the
信号が3つの独立変数、すなわち、振幅、周波数および位相を有するので、我々は3つの独立変数のいずれか一つを制御することによって、第1次非線形フィードバック制御ループ116および120を生成できる。あるいは、我々は、信号の到着時間を制御することによって、第2次非線形フィードバック制御ループを生成できる。その結果、非線形フィードバック制御ループを用いて安定した基準入力クロック信号110から、拡散スペクトラムクロック信号を生成するために、4つの異なる方法がある。非線形フィードバック制御ループが非線形エラー比較器118または線形エラー検出器101のどちらを使用するかによって、2つの異なる方法で組み立てられうるので、非線形フィードバック制御ループを使用することによって、プレッドスペクトラムクロック発生装置には、計8つの異なる設計が可能となる。非線形エラー比較器118の原理と無限ゲインを伴う増幅器を有する線形エラー検出器101の原理が同じものであるので、線形エラー検出器101を用いた設計が異なる結果を生成しない限り、我々は、非線形エラー比較器118の構造がシンプルなので、それを設計に使用する。
Since the signal has three independent variables, namely amplitude, frequency and phase, we can generate first order nonlinear
線形振幅ロックループ
拡散スペクトラムクロック発生装置として非線形振幅比較器139を使用する非線形振幅ロックループ135のブロック図が第1実施形態として図10に示される。非線形振幅ロックループ135は、4つ構成要素ブロック、すなわち、非線形振幅比較器139、可変ゲイン増幅器137、ループフィルタ106および振幅制限増幅器131からなる。非線形振幅比較器139は、一定の基準電圧125を有するフィードバック信号112の振幅を比較する。フィードバック信号112の振幅が一定の基準電圧125より小さい場合、非線形振幅比較器139は可変ゲイン増幅器137のためにゲインを増やすためにH出力を送信し、フィードバック信号112の振幅が一定の基準電圧125より大きい場合、非線形振幅比較器139は可変ゲイン増幅器のためにゲインを減らすためにL出力を送信する。決定出力123が非線形振幅比較器139から生成されてから、非線形振幅比較器139の入力のフィードバック信号112の振幅がアップデートされるまでに時間がかかるので、可変ゲイン増幅器137は、常に過剰訂正され、非線形振幅比較器139からの決定出力123での振動が不可避である。ループフィルタ106を通過した後に、非線形振幅比較器139からのデジタル決定出力信号123は、可変ゲイン増幅器137を調整するようなアナログ最終エラー訂正出力115になる。可変ゲイン増幅器137のゲインは、常に最終エラー訂正出力115によって上げられたり下げられたりして、可変ゲイン増幅器137が上下の方向を変更する時間は、非線形振幅比較器139の決定しきい値164周辺のループ中のノイズに全体的に依存する。非線形振幅比較器の決定しきい値164は、基準電源125により決定される。非線形振幅比較器139の決定しきい値164周辺の小さいノイズが多い摂動が、非線形振幅比較器139に可変ゲイン増幅器137の上下方向を切り換えさせるトリガーとなりうるので、非線形振幅比較器139は、すべての振動サイクルで同じ時間に方向を切替えるというわけでない。その結果、可変ゲイン増幅器137に対する最終のエラー訂正電圧115は、フィードバック出力信号112を線形に生成するために常に上げ下げされ、フィードバック出力信号112の振幅が上下の方向を変更する瞬間はランダムである。振幅制限増幅器131は、それから、フィードバック出力信号112の振幅バリエーションを位相バリエーションに変換するために使用されることができるので、振幅制限増幅器131の出力は基準入力信号110と同じ周波数の所望の拡散スペクトラムクロック信号109になれるが、拡散スペクトラムクロック信号109の位相は、常に、基準入力信号110の位相の前と後の間で相殺される。ループフィルタ106の時定数は、拡散スペクトラムクロック出力109の位相がどれくらい速く変化でき、更に、拡散スペクトラムクロック109の位相がどの程度まで広げられるかを決定する。
Linear Amplitude Lock Loop A block diagram of a non-linear
非線形振幅ロックループ135から完全な拡散スペクトラムクロック出力109を生成することは難しい。なぜなら、非線形振幅ロックループ135のフィードバックモジュール137を調整するための最終エラー訂正出力115上で変調信号を成長させることはとても制限されているからである。これは、ループ全体が同じ周波数でのみ作動されることと、位相変調出力の範囲が制限されるので、AM−PM変換によって位相変調を生成するために振幅制限増幅器131を使用することが非常に非効率なことによる。非線形振幅ロックループ135周辺の伝搬遅延時間と待ち時間遅延時間が比較的短いので、フィードバックモジュール137上の最終エラー訂正出力115の変調信号は、小さい位相拡散を生成するために通常とても高い振動数を有する。
It is difficult to generate a complete spread
非線形振幅ロックループ135のための位相拡散を増加するには2つの方法がある。非線形振幅比較器139としてヒステリシスを有する電圧比較器を使用する方法と、非線形振幅比較器139からの出力をサンプリングするためにデジタルスイッチを用いる方法である。これらの方法によって、非線形振幅比較器139からの決定出力123は、一定の率、好ましくは、基準入力信号110の割合でアップデートされうる。振幅比較器139としてヒステリシスを伴う電圧比較器を用いることは、とても素早く出力123が変更されることを防止するので、最終エラー訂正出力115は、決定出力123の切り換えのある範囲の前に、エラー入力信号114を強制的に進ませる。非線形振幅比較器139からの出力をサンプリングするためにデジタルスイッチを用いる方法は、決定出力123が定率でのみアップデートされうるので、より長いループ遅延時間を生成するには、より効果的である。一度、新規な決定出力123が生成されると、それは、非線形振幅ロックループ135の非線形振幅比較器139が次の比較サイクルにおいて異なる結果を生成するまで、残り続ける。両方の解決策は、拡散スペクトラムクロック出力109のためにより拡散を生成するために、非線形振幅ロックループ135のループ遅延時間を大きく増加し、フィードバックモジュール137への最終エラー訂正出力115上の変調信号を遅める。非線形振幅ロックループ135全体が同じ周波数で作動されるので、非線形振幅比較器139からの出力をサンプリングすることは非常に簡単である。
There are two ways to increase the phase spread for the nonlinear
図10に示される非線形振幅ロックループ135は、大きい振幅変動を有する入力信号から安定した振幅を伴う出力信号を生成する従来のAGC回路に似ている。図10で示すAGC回路と拡散スペクトラムクロック発生装置135間の唯一の違いは、基準入力信号110とループフィルタ106である。AGC回路では、フィードバック出力信号112の振幅が変動しないように、基準入力信号110の振幅は変動し、ループフィルタ106の時定数は通常基準入力信号110の振幅変動の性質に多く従うように適切である。対照的に、拡散スペクトラムクロック発生装置135では、フィードバック出力信号112の振幅が急速かつランダムに変動できるように、基準入力信号110の振幅は非常に安定し、ループフィルタ106の時定数は通常小さい。
The non-linear
増幅器137のゲインが線形に最終エラー訂正出力115の線形増減によって制御されるように、可変ゲイン増幅器137の変換特性は通常線形である。線形可変ゲイン増幅器137を用いて、非線形振幅ロックループ135は、拡散スペクトラムクロック出力信号109のために拡散されるランダム位相を生成できるだけである。時間が経つと、信号の位相が信号の周波数の統合と等しくなるので、周波数拡散は、常に位相拡散よりもはるかに大きな拡散を提供する。その結果、線形可変ゲイン増幅器137を使用する非線形振幅ロックループ135から生成される拡散スペクトラムクロック出力信号109を広げることは、周波数拡散を生成するシステムと比較して、非常に小さい。
The conversion characteristic of the
非線形振幅ロックループ135から生成される拡散スペクトラムクロック109の拡散を改善するために、可変ゲイン増幅器137の変換特性が改良される必要がある。可変ゲイン増幅器137の変換特性が、線形関数の代わりに、最終エラー訂正出力115の二乗関数である場合、最終エラー訂正出力115の増減は、その二乗関数に基づいて変化する振幅を有する可変ゲイン増幅器137からのフィードバック出力112を生成する。時間周期を超えた線形周波数増減を伴う信号の累積した位相変化が時間の二乗関数に比例するので、二乗関数変換特性を伴う可変ゲイン増幅器137は、効率的に、位相拡散からの非線形振幅ロックループの拡散スペクトラムクロック出力109の拡散を周波数拡散に改善し、大いに、拡散の効率を向上する。
In order to improve the spread of the
非線形到着時間ロックループ
図11は、第2実施として、非線形到着時間比較器を伴う基本非線形到着時間ロックループを用いる拡散スペクトラムクロック発生装置150のブロック図を示し、図12は、第3実施として、線形到着時間検出器を有する基本非線形到着時間ロックループおよび無限ゲインを伴う増幅器を使用する拡散スペクトラムクロック発生装置152のブロック図を示す。基本非線形到着時間ロックループ150は、3つの機能ブロック、すなわち、非線形到着時間比較器(148、169および189)、ループフィルタ106、およびVCO108から形成され、基本非線形到着時間ロックループ152は、4つの機能ブロック、すなわち、線形到着時間検出器(180、182、155および154)、ループフィルタ106、無限ゲイン130を伴う増幅器130、およびVCO108から形成されている。基本非線形到着時間ロックループ150および152の両者は、拡散スペクトラムクロック発生に使用されることが稀である。なぜなら、拡散スペクトラムクロック出力信号109の周波数は常に基準入力信号110の周波数に等しくなければならないからである。しかしながら、拡散スペクトラムクロック出力信号109の周波数は、通常、多くの拡散スペクトラムクロックの適応において、調節可能であることが要求されている。この要求を満たすために、Nにより除算された分周器111が使われることができ、基準入力信号110と比較される低周波数フィードバック比較信号112が生成されるので、拡散スペクトラムクロック出力信号FOUT109の周波数は、Nに、基準入力信号110の周波数を乗算したものとなり、拡散スペクトラムクロック出力信号109の周波数は簡単に変更される。したがって、図13および図14に示すように、分周器を伴う典型的な非線形到着時間ロックループ151および153は、拡散スペクトラムクロック出力信号109を生成する拡散スペクトラムクロック発生装置としてより有用である。Nにより除算された分周器111の使用は、より多くの伝搬遅延と機械的遅延をフィードバック信号パスに加えうるので、ダイVCOに対する最終エラー訂正出力115上の変調信号の周波数は低く、拡散スペクトラムクロック出力109のためにより大きな拡散を生成する。
Nonlinear Arrival Time Lock Loop FIG. 11 shows a block diagram of a spread
第2実施形態に対する第1補足実施形態として、図15には、4つの構成要素、すなわち、PFD132、相補型PFD134、極性選択回路142および決定出力ラッチ156から構成される典型的な非線形到着時間比較器148が示される。非線形到着時間比較器148の原理は、選択する極性選択回路142のために、各入力信号の到着を検出し、正および負の2つの到着信号を生成するPFD132および相補型PFD134を使用することであり、正の到着信号は、基準入力信号110の到着に誘発されるPFD132から生成され、負の到着信号は、VCOからフィードバック信号112の到着によって誘発される相補型PFD134から生成される。極性選択回路142は、それから、第1到着信号を最終極性出力信号144として選ぶ。一旦、最終極性出力信号144が選択され、両信号の到着の後、最終極性出力信号144は、決定出力123になるために出力ラッチ156内に格納され、決定出力123は、次の比較サイクルが異なる結果を出すまでは同じ状態で残る。到着時間比較サイクルは、第1到着信号が到着すると始まり、後の到着信号が到着すると終わる。到着時間比較サイクルが完了した後、PFD132および相補型PFD134はリセットされる。リセット信号128の存在は、到着時間比較サイクルの終了を示す。
As a first supplemental embodiment to the second embodiment, FIG. 15 shows a typical non-linear arrival time comparison comprised of four components:
最終極性出力信号144が常にリセット出力信号128より長く続くので、決定出力ラッチ156を誘発するリセット出力信号128の使用は、安全であり、誤りがなく正確でありえる。完了した比較サイクルが発生し、最新の到着信号が到着したときに、リセット出力信号128は発生し、最終の極性出力144が決定される。それから、リセット出力信号128は、誤りなく、決定出力ラッチ156からの最終の極性決定出力144を、問題なく時間計測できる。遅延バッファ158は、決定出力ラッチ156のための安全な誘発条件が犯されていないことを確実にするために、決定出力ラッチ156へのクロック信号に必要な遅延を与える。遅延バッファ158は、決定フリップフロップ159のクロック入力の立ち上がりエッジが、最終極性信号144の終わりとリセット信号128の始めの間で常に起こることを保証できる。
Since the final
図15の設計における2つのPFD132、134は、いくつかのハードウェアを節約するために第2実施形態の第2補足実施形態として、図16に示す混合PFD133となるように互いに合併されることができる。図15のPFD132および相補型PFD134がそれぞれ2つの到着出力信号を生成して、4つの到着出力信号を生成するにもかかわらず、これらの4つの到着出力信号のうちの2つだけしか、選択する極性選択回路142に必要とされないので、ハードウェアの節約が可能である。他の2つの到着出力信号は、単なる冗長であり、除去される。PFD132と相補型PFD134が同じ入力信号によって誘発されるので、相互の動作に影響を与えることなく、それらを簡単に併合できる。
The two
非線形到着時間比較器169を伴う非線形到着時間ロックループ150の最終エラー訂正出力115の変換特性は、図7に示す通りであり、+/−(単一の論理ゲートの伝播遅れ時間)の不確実性時間枠を伴うゼロ到着時間差ポイントに位置される決定しきい値164を有する。決定しきい値164周辺の不確実性時間枠は、極性選択回路142のAND論理ゲート136およびOR論理ゲート138間のフィードバック装置によって生じる。
The conversion characteristics of the final
極性選択回路142のAND論理ゲート136およびOR論理ゲート138間のフィードバック装置は、2つのことができる。第1に、最終極性出力144が第1到着信号によって行使されると、最近の到着信号が最終極性出力144に切替わるのを防止する。PFD132からの正の到着信号が最初に到着する場合、AND136の出力がHとなり、OR138を強制的にHにし、相補型PFD134から負の到着信号が最初に到着する場合、OR138の論理ゲートの出力はLになり、それはAND136を強制的にLにする。その結果、一旦、第1到着信号がAND136とOR138論理ゲートの出力のために状態を決定しても、第1到着信号は最終の極性出力144を変更することができない。第1到着信号は、極性選択回路142の最終極性出力信号144の極性を決定し、フリップフロップが到着時間比較サイクルの終わりにリセットされるまでは、最終の極性出力信号144は変わらない。フリップフロップがリセットされる前に、最終極性出力144は、また、決定出力123として決定出力ラッチ156に格納され、新規な比較サイクルが異なる最終極性出力144を生成するまで、決定出力123は同じ状態のままである。第2に、フィードバック装置は、PFDのフリップフロップからの到着出力信号と同じだけ続く最終極性出力信号144を提供するので、最終極性出力信号144の期間が常に2つの入力信号間の実際の到着時間差よりも長くなる。2つの入力信号間の到着時間差がゼロから無限でありうるので、最終の極性出力信号144が正確に2つの入力信号間の到着時間差に等しい期間を有する場合であって、2つの入力信号間の到着時間差がゼロに近い時、最終極性出力信号144を計測することは非常に難しい。運良く、PFDのフリップフロップからの到着出力信号が、2つの入力信号間の到着時間差よりも、リセット入力からのフリップフロップの伝搬遅延時間とANDゲート126の伝搬遅延の合計に等しい遅延時間だけ常に長く続くので、フリップフロップの到着出力信号は、最終極性出力信号144として使用される理想形となるように、最小期間を有することが保証される。
There are two possible feedback devices between the AND
極性選択回路142のフィードバックメカニズムは、第1到着信号、すなわち、基準信号110の到着によって誘発される通常のフリップフロップ122から正の到着出力、または、VCO112からフィードバック信号の到着によって誘発される補完的なフリップフロップ119からの負の到着出力のいずれか一方を、最終極性出力信号144として選ぶ。最終の極性出力信号144は、リセット入力からのフリップフロップの伝搬遅延とAND126のゲートの伝搬遅延の合計に等しい最小幅を有する。したがって、この最小幅を用いて、最終極性決定出力信号144は、決定出力ラッチ156からのリセット信号128によって、クロックアウトされるのにより安全になる。
The feedback mechanism of the
それにもかかわらず、極性選択回路142のフィードバックメカニズムは、非線形到着時間比較器169のための決定しきい値164周辺で、+/−の不確実性時間枠160(単一の論理ゲートの伝搬遅延時間)を生成する。この理由は、2つの入力信号間の到着時間差が単一の論理ゲートの伝搬遅延の範囲内であるときに、AND136およびOR138論理ゲートからの出力が完全に最新の到着信号をブロックする準備が整っていないので、極性選択回路142の最終極性出力144が最終極性出力信号144の全期間にわたって揺れうるからである。この不確実な振動期間の間、決定出力ラッチ156のための安全な誘発条件は、もはや存在せず、特に、到着時間差が決定しきい値164に近づくと、決定出力ラッチ156の出力はランダムになる。決定しきい値164の周辺の決定のランダム性は、多くの急で不正確な最終極性決定出力123を生成しうる。
Nevertheless, the feedback mechanism of the
図15に示す極性選択回路142は、追加のOR論理ゲート140を有する。基準入力信号110が早く到着する限り最終極性出力144が常にHのままであるので、このOR140論理ゲートは、極性決定の不確実性の範囲を半分に減らすことができる。基準入力信号110が早く到着し、2つの入力信号間の到着時間差が単一の論理ゲートの伝搬遅延時間よりも小さい場合、AND136およびOR138論理ゲートからの出力は、まだ揺れ、それにもかかわらず、最終極性出力144はいずれか一つのOR論理ゲート140への入力がHである限りHのままであるので、OR140ゲートでの最終極性出力144は常にHのままである。その結果、図15に示すように極性選択回路142の決定しきい値164は、単一の論理ゲートの伝搬遅延時間の半分の量だけ、負側にシフトされ、決定の不確実性は、0から−(単一の論理ゲートの伝搬遅延時間)160の間の到着時間差の範囲に限られる。
The
エラー入力信号114が非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の決定しきい値164周辺の不確実性時間枠の範囲内であるときに、決定出力123のランダム性は、拡散スペクトラムクロック発生のソースである。それにもかかわらず、エラー入力信号114が非線形エラー比較器118と線形エラー検出器101の決定の不確実性時間枠の範囲内であるときに、決定出力123のランダム性は、極性決定出力123および非線形エラー比較器118を切替える時に影響を与えるだけであり、線形エラー検出器101は、最終エラー訂正出力115に影響を与える不正確な極性決定出力123を生成してはならない。しかし、図16に示す非線形到着時間比較器169の設計では、エラー入力信号114が負でLであるときに、極性決定出力123はHであり、エラー入力信号114が正のときに、極性決定出力123はLである。図15に示す非線形到着時間比較器148の設計において、基準入力信号110が早く到着するときに、極性決定出力123が正確なH状態であることが保証されるにもかかわらず、基準信号110がフィードバック信号112の後にくるときには、極性決定出力123はHまたはLのいずれかでありえる。両方の場合において、非線形到着時間比較器148および169は、最終エラー訂正出力115に影響を及ぼす誤った決定出力123を生成しうる。
When the
図15と16に示す設計の非線形到着時間比較器からの決定出力123の正確さの問題を解決するために、第2実施形態に対する第3補助実施形態として、新規な非線形到着時間比較器189が図18に示される。この新規な非線形到着時間比較器は、混合PFD133、極性選択モジュール142および出力ラッチ156の3つの構成要素モジュールでできている。この新しい設計では、付加的なAND141およびOR140ゲートを有する極性選択回路142によって駆動され、極性出力ラッチ181および183のための正確な最終極性出力144を生成する。OR論理ゲート140の最終極性出力144は、VCO112からのフィードバック信号が先に到着するときまで、デフォルトのH状態のままである。同様に、AND論理ゲート141の最終極性出力144は、基準入力信号110が先に到着するときまで、デフォルトのL状態のままである。これらの2つの付加的な論理ゲートをよって、決定出力信号123の極性は、常に正確なことが保証され、極性選択回路142の最終極性出力144が依然として揺れていても、最終エラー訂正出力115に影響を与える誤った決定出力123を生成しない。
In order to solve the problem of accuracy of the
VCOからのフィードバック信号112が誘導信号であり、非線形到着時間比較器189に対する2つの入力信号間の到着時間差が単一の論理ゲートの伝搬遅延よりも少ない場合、AND論理ゲート141からの最終極性出力144はデフォルトのL状態のままであるので、出力ラッチ181が出力を生成しないことが保証され、OR論理ゲート140からの最終極性出力144がHとLの間で揺れる。VCOからのフィードバック信号112が誘導信号であるので、OR論理ゲート140からの正しい最終極性出力144は、シンキング電荷ポンプ(sinking charge pump)129を使用可能にするLでなければならない。幸いにも、揺れる決定の不確実さのためにOR論理ゲート140からの最終極性出力144が不正確にクロックアウトされ、決定出力ラッチ183が正しいL出力の代わりに間違ったH出力を生成した場合でも、極性ラッチ出力183からのL出力だけがシンキング電荷ポンプ出力129を利用可能にするので、このような誤りは、決定出力123にとっての誤りを生成しない。
If the feedback signal 112 from the VCO is an inductive signal and the arrival time difference between the two input signals to the nonlinear
基準入力信号110が誘導し、非線形到着時間比較器189への2つの入力信号間の到着時間差が単一の論理ゲートの伝搬遅延よりも少ないときには、出力ラッチ183が出力を生成しないことが保証されるように、OR論理ゲート140からの最終の極性出力144はデフォルトのH状態のままであり、AND論理ゲート141からの最終の極性出力144はHとLの間で揺れる。基準入力信号110が誘導信号であるので、AND論理ゲート141からの正しい最終の極性出力144は、ソーシング電荷ポンプ127を使用可能にするHであるべきである。幸いにも、AND論理ゲート141からの最終の極性出力144が決定の振動の不確実さのために誤ってクロックアウトされ、決定出力ラッチ181が誤ったL出力を生成したとしても、極性出力ラッチ181からのH出力だけがソーシング電荷ポンプ出力127を有効にすることができるので、この誤りはまだ決定出力123にエラーを生成しない。
When the
その結果、エラー入力信号114が決定のしきい値164の正の側から負の側に回転される場合、エラー入力信号114が決定しきい値164を超えて負の側に移るまで、非線形到着時間比較器189の決定出力123の極性はH状態のままであることが保証される。エラー入力信号114が決定しきい値164を超えた後、決定出力123はそれからランダムにいつでもL状態に変わることができる。同様に、エラー入力信号114が決定しきい値164の負の側から正の側に回転される場合、エラー入力信号114が決定しきい値164を超えて正の側に移るまで、非線形到着時間比較器189の決定出力123の極性はL状態のままであることが保証される。エラー入力信号114が決定しきい値164を超えた後、決定出力123の極性はそれからランダムにいつでもH状態に変わることができる。結論として、エラー入力信号114が決定しきい値164超えて回転される時、エラー入力信号114が決定しきい値164を超えた後では決してなく、その前に、非線形到着時間比較器189からの決定出力123の切替えが常に起こる。対照的に、図15および図16に示す非線形到着時間比較器148および169のために、決定出力123の切換は、エラー入力信号114が不確実性時間枠の範囲内であるときのいつでも起こりうる。したがって、図18に示す非線形到着時間比較器189は、決定の曖昧性のない正確で精密な到着時間比較器であり、非線形到着時間比較器にとって最も望ましい設計である。
As a result, if the
極性選択回路142からの最終の極性出力144が振動し、非線形到着時間比較器189に極性出力ラッチ181または183で誤った出力を生成させるときに、この誤りが、最終エラー訂正出力115に影響を及ぼす誤った決定出力123を生成しないような良性のものであるにもかかわらず、非線形到着時間比較器189も、最終エラー訂正出力115に影響を与える正しい決定出力123を生成できない。換言すれば、間違った決定出力が決定出力ラッチ181または183から生成されるとき、非線形到着時間比較器189は文字通り機能不能である。したがって、最終の極性出力144が振動している間に極性出力ラッチ181または183が誤った出力を生成する可能性は50%であるので、エラー入力信号114が決定不確実性時間枠の範囲内であるとき、非線形到着時間比較器189は半分機能不能である。非線形到着時間比較器189のデッドゾーンの効果的なサイズは、決定不確実性時間枠の半分に等しく、+/−(単一の論理ゲートの伝播遅延時間)160に等しい。
This error affects the final
非線形到着時間比較器189を有する第2次非線形到着時間ロックループ150の取得プロセスは、図19に示される。非線形到着時間ロックループ150が第2次ループであるので、追跡される2つの変数、周波数と到着時間がある。第2次到着時間ロックループの取得動作は、2つの垂直軸、すなわち、周波数の取得を示すものと、到着時間の取得を示すものとを伴う3次元プロットにのみ表現される。非線形到着時間ロックループ150の取得プロセスは、2つのフェーズ、すなわち、取得フェーズ542と振動フェーズ564に分割されることができる。到着時間ロックループのためのこの期間中、多くのサイクルスリップが起こるので、取得フェーズ542はサイクルスリップフェーズ542と呼ばれる。ここで、最初の周波数差f0530が正であるように、VCO112からフィードバック信号の最初の周波数が、取得プロセスの開始時の基準信号110の周波数よりも低いと仮定する。非線形到着時間比較器189は、周波数差を減らすVCO108の周波数をスピードアップするために、初期のほとんどの時間で正の決定出力123を発送する。サイクルスリップフェーズ542の間のVCOに対する到着時間訂正出力はほぼH状態である。なぜなら、非線形到着時間比較器189の決定出力123がほとんどHとなるように、基準信号110がいつでもより速く実行され、より早く到着するからである。2つの入力信号間の周波数差がサイクルスリップフェーズ542の間に減少されているので、サイクルスリップは、時々しか発生せず、サイクルスリップが発生するときに、非線形到着時間比較器189は短い間だけ負の側に決定出力123の極性をはじくことができる。サイクルスリップフェーズ542の間、基準信号110の周波数がVCO112からのフィードバック信号の周波数より常に速いので、サイクルスリップフェーズ中に極性出力123が負になる持続期間は常に短く、したがって、サイクルスリップは信号の取得に影響を及ぼさない。
The acquisition process of the second order nonlinear arrival
VCO112からのフィードバック信号の周波数が、最終的に、time=T0552で初めて起こる基準信号110の周波数と同じものになるとき、取得プロセスは振動フェーズ564に入る。このフェーズでは、到着時間差の極性と周波数差は、常に、正と負の間で振動する。取得プロセスを開始する中で、2つの入力信号間の周波数差の極性がt=T0552で初めて変更されるとき、2つの入力信号間の到着時間差は、0からVCO112からのフィードバック信号の期間までのどこにでもあることができる。
The acquisition process enters the
周波数差がt=T0552で初めてゼロであるときに、2つの入力信号間の到着時間差が正であると仮定すると、到着時間差は依然として正のTε532であるので、非線形到着時間比較器189は、VCO112からフィードバック信号をスピードアップするためにH出力を生成し続ける。ここで、VCO112からのフィードバック信号は、Tε532の到着時間差を修正し、Tε532は完全にランダムであって、0とVCO112からのフィードバック信号の期間との間のどこででもありうる。その結果、周波数差は現在t=0 552の後に負になり、VCO112からのフィードバック信号が現在基準入力信号110より速く実行する。VCOに対する最終エラー訂正出力115は、VCO112からのフィードバック信号がTA554で基準信号110と同時に到着するまで、VCO112からのフィードバック信号の周波数を増加させ続ける。TA554の後、VCOの周波数は、依然としてトータルループ遅延時間のために速度が上げられ続ける。トータルループ遅延時間が終わるときに、非線形到着時間比較器189の入力時の到着時間差が最終的にt=TB556で決定しきい値164を超え、非線形到着時間比較器189が決定出力123の極性を変更するトリガーを引くまで、VCO112からの信号の周波数は依然として速度が上げられ続ける。非線形到着時間比較器189の決定しきい値164周辺でノイズにより決定される、この瞬間までだけ、非線形到着時間比較器189は、現在VCOへの最終エラー訂正115を減少させることによってVCO112からのフィードバック信号の周波数を遅くし始める。したがって、非線形到着時間比較器189がVCO112からのフィードバック信号の周波数を遅くし始める前に、2つの入力信号間の到着時間差は少なくともトータルループ遅延時間の量のために過剰訂正され、非線形到着時間比較器189が反対方向に増減し始める時間は非線形到着時間比較器189の決定しきい値周辺のノイズによって、完全に決定される。
Assuming that the arrival time difference between the two input signals is positive when the frequency difference is zero for the first time at t =
Tε532の到着時間差を訂正するためにt=T0552からt=TB556の間中VCOの周波数がスピードアップされるので、t=TB556でのVCO112からのフィードバック信号が基準信号110の周波数より非常に高いとき、VCO112からのフィードバック信号は、基準信号110より早く到着する。その結果、到着時間差は現在負側のままであり、非線形到着時間比較器189の決定出力123の極性も、負側に切り替えられる。周波数差が再び最終的にゼロになるときにt=TB556とt=T1560の間で周波数差が減少されるにも関わらず、2つの入力信号間の到着時間差は実際に増加し続けてより負になる。これは、なぜなら、t=TB556とt=T1560の間の全期間中、VCO112からのフィードバック信号の周波数が常に基準信号110より速く実行するので、2つの入力信号間の到着時間差がこの期間中になお負にのみ成長し、到着時間差がt=T1560で最大に到達するからである。
Since the frequency of the VCO is speeded up from t =
t=T1560で、2つの入力信号間の周波数差は最終的に再びゼロになるが、到着時間差はここで負である。556で到着時間比較器189が最終エラー訂正出力115を減少し始める前に、到着時間差が過剰訂正されるので、第2の時間周波数差での到着時間差がt=T1560でゼロになり、それは、初めて、t=T0552で周波数差がゼロになったとき、到着時間差Tε532よりも大きい可能性が非常に高い。
At t =
t=T0552からt=T1560まで、到着時間差が正の誤差から始まり負の誤差で終わる間にゼロから始まり再びゼロで終わる2つの入力信号間の周波数差は、最初の振動サイクルを形成する。
From t =
同じプロセスはそれから繰り返し、周波数差が再びゼロになるたびに、到着時間差の極性は正と負の間を行き来して、各振動サイクルの初めの到着時間差の量は僅かに増加する可能性が非常に高い。各振動サイクルの始めの新規な周波数同期ポイントにおける到着時間差での増加量は、合計遅延時間期間中に起こる到着時間の変化の合計に等しく、決定しきい値164周辺でノイズによって、ランダムな到着時間エラーが引き起こされる。トータルループ遅延時間が大きい到着時間変化(すなわち、決定しきい値164周辺でノイズによって生じるランダムな到着時間エラーより非常に大きい)を引き起こすのに十分長い場合、発生する各々の新規な振動サイクルの初めの到着時間差は次々とサイクルの増加を続ける。ループ遅延期間中の到着時間変化が決定しきい値164周辺のノイズによって引き起こされるランダムな到着時間エラーより小さい場合、新規な振動サイクルの初めの到着時間差は増加しないかもしれないが、代わりに、単純に振動する。したがって、VCOからのフィードバック信号112の到着時間がどれだけ変更されうるか、および、どれだけループ遅延が長いかによって、結局、各振動サイクルの初めの到着時間差は、ある一定量で振動するように安定化されるか、フィードバック信号112の完全なサイクルがスキップされて、サイクルスリップが発生するほど到着時間差が長くなるかである。一旦、サイクルスリップが発生すると、新規な振動サイクルの初めの到着時間差は、非常に小さくなり、到着時間差の全体の発達プロセスは自身で繰り返す。VCO112からフィードバック信号に対してサイクルスリップが発生する場合、ここでの各振動サイクルの到着時間差がゼロから特定のレベルまで変化できるので、最終エラー訂正出力115上の変調信号のあらゆるサイクルは非常に異なる。したがって、サイクルクリップの発生により、非線形到着時間比較器189を伴う非線形到着時間ロックループ150は、完全な拡散スペクトラムクロック発生装置になる。なぜなら、クロック信号の変調の全てのサイクルがランダムな振幅、周波数および位相から始まり、他のランダムな振幅、周波数および位相で終わるからである。
The same process is then repeated, and each time the frequency difference is zero again, the polarity of the arrival time difference goes back and forth between positive and negative, and the amount of arrival time difference at the beginning of each vibration cycle can increase slightly. Very expensive. The increase in arrival time difference at the new frequency synchronization point at the beginning of each oscillation cycle is equal to the sum of the arrival time changes that occur during the total delay time period, and random arrival times due to noise around
非線形到着時間ロックループ150が完全な拡散スペクトラムクロック発生装置になるかどうかは、サイクルスリップが発生するまで、振動フェーズ564の間に周波数差がゼロになるときはいつでも、到着時間差量を成長させる能力に全体的に依存する。先述のように、到着時間差量を成長させる能力は、全ループ遅延時間と決定しきい値164およびVCO112とに完全に依存する。非線形到着時間比較器の決定しきい値が曖昧でなく正確な場合、非線形到着時間ループ150は、容易に到着時間差の量を発達させることができる。決定の曖昧性に起因する誤った決定は相互に打ち消し合うことがあるので、到着時間差を成長させるのは困難である。トータルループ遅延時間は、非線形到着時間比較器(148、169および189)が最終エラー訂正出力115の増減方向を変える前に、非線形到着時間ロックループ150が到着時間差を過剰矯正することを許す。その結果、長いループ遅延時間は、到着時間差の成長を保証できる。大きな決定の不確実性時間枠を伴う非線形到着時間比較器(148および169)が使用される場合であっても、トータルループ遅延時間が決定不確実性時間枠より多くの到着時間差を生成できる限り、到着時間差の成長はまだ維持されることができる。VCOのスルーレートは、周波数変化量、またはより正確には到着時間変化量を決定し、フィードバック信号112は、固定された遅延期間中に発生される。ループ遅延期間中の到着時間変化がノイズの不確実性範囲よりも少ない場合、到着時間差の成長プロセスは生産的ではないので、到着時間差は各振動サイクルの初めに特定の値周辺で変動するだけである。
Whether the non-linear arrival
非線形到着時間比較器(148、169および189)の応答時間が速く、後の到着信号が到着するとすぐに決定出力123が生成されるので、非線形到着時間ロックループ150は、実質的に2つのフリップフロップと3つの論理ゲートの伝搬遅延にほぼ等しい位の短い伝搬遅延時間しか有さない。非線形到着時間ロックループ150の待ち時間遅延時間は、主により遅い到着時間比較信号の期間により決定され、待ち時間遅延時間は、通常トータルループ遅延時間のための支配的要素である。その結果、基本的な非線形到着時間ロックループからの拡散スペクトラムクロック出力信号109の周波数拡散は通常小さく、到着時間比較信号の周波数が通常高いので、VCOからのフィードバック信号112に対するサイクルスリップは生成するのが難しい。したがって、代表的な非線形到着時間ロックループ151は、分周器111を通じて長い待ち時間遅延時間に起因する完全な拡散スペクトラムクロック出力109を生成するのに、より良い設計である。
Since the response time of the non-linear arrival time comparators (148, 169 and 189) is fast and the
非線形到着時間比較器189は、エラー入力114が決定しきい値164を超えて回転されたときに時期を早めて新たな決定出力123を生成することはないので、十分な時間があれば、VCOからのフィードバック信号112にサイクルスリップを容易に生成するために、最終エラー訂正出力115に対して大きな増減を与えることができる。非線形到着時間ロックループ151のための長いループ遅延時間は、フィードバック信号112にサイクルスリップを生成するために常に効果的にループを強制できる。
The non-linear
非線形到着時間ロックループ150により多くのループ遅延時間を付け加える最も簡単な方法は、フィードバックパスに分周器111を加えることである。使用する最も単純な分周器は、自己トグリング(self-toggling)フリップフロップの使用による非同期二分割分周器である。残念なことに、我々が使用するあらゆる付加的な二分割分周器では、待ち時間遅延時間も二倍されるので、単純な二分割分周器を用いて正確に所望の遅延時間を得ることは非常に難しい。したがって、プログラム可能な分周器がより良い解決手段である。その結果、非線形到着時間ロックループ151のフィードバックパスにおけるプログラム可能な分周器111は、拡散スペクトラムクロック発生装置のためのプログラム可能な周波数拡散コントローラになることができる。我々は周波数分割の量を調整することによって、周波数拡散量も調整でき、もちろん、我々は、到着時間比較信号の周波数が周波数拡散が調整されたときと同じままであるように、基準信号110のパスのためにも同様のプログラム可能な分周器を使用することを必要とする。したがって、自動周波数拡散制御システムは、容易に実行されることができる。
The simplest way to add more loop delay to the non-linear arrival
拡散スペクトラムクロック出力のための周波数拡散を増加するために非線形到着時間ロックループ150により多くのループ遅延時間を追加する代替案は、新しい決定の生成を遅延させるデジタルフィルタを使用することである。たとえば、我々は、非線形到着時間比較器189からの各決定出力123を、順番に1Nビットシフトレジスタに格納でき、全ての格納された決定を合計するためにNビット加算器を使用できる。我々は、それから、合計結果に基づいて最終の決定をする。たとえば、現在の最終決定がHである場合で合計結果が0になる場合にだけ、最終決定がLに変えられ、現在の最終決定がLである場合で、合計結果がNになる場合にだけ、最終決定がHに変えられる。このようにして、遅延が意思決定にされ、HからLにまたはLからHに変化する新規な決定出力が、N到着時間比較サイクルが発生したあとにだけ発生できる。所望のトータルループ遅延時間が生成されるまで、我々はシフトレジスタまたは決定しきい値の数を調整できる。この技術によって、我々は、非線形到着時間比較器(148、169および189)のための高周波比較クロックを使用することができ、より小さいステップでクロック信号の周波数拡散を制御することができる。
An alternative to adding more loop delay time to the non-linear arrival
図20〜23に示す4つの線形到着時間検出器が、拡散スペクトラムクロック発生装置152になる非線形到着時間ロックループとして無限ゲイン130を有する増幅器と一緒に使用される。線形到着時間検出器は、最初に到着した信号によって決定される極性を有するエラー出力信号117を生成でき、そのエラー出力信号117は、2つの入力信号間の到着時間差によって決定される期間の間に使用可能となるので、線形エラー到着時間検出器のエラー出力信号117は、基準信号110が到着したときに充電(charge up)され、VCO112からのフィードバック信号が先に到着した場合に放電(charge down)される。エラー出力信号117は非常に短い時間だけしか作動されず、次の比較サイクルまで現在の電圧でエラー出力ノード117の浮遊容量はエラー出力電圧117を保持するので、充電増減出力ドライバは、エラー出力信号117が急速に上がれることを保証するために十分なスルーレートを提供しなければならない。充電増減出力ドライバが使用可でないときに、リーク電流がエラー出力電圧117を放電しないように、浮遊容量のリーク電流は制御されなければならない。エラー出力信号117を保持するためにより大きいコンデンサが必要かもしれないが、より大きいコンデンサは、充電増減のスルーレートを遅くし、デッドゾーンをつくるかもしれない。無限ゲイン130を伴う増幅器を使って、増幅器130の出力の決定出力123は、最終エラー訂正出力115と同様に、HまたはL状態のいずれか一方にのみとどまることができ、ループは非線形到着時間ロックループ152になる。線形到着時間検出器180、182、154および155を使用する非線形到着時間ロックループ152と、無限ゲイン130を伴う増幅器との作用と取得動作は、非線形到着時間比較器148、169および189を使用する非線形到着時間ロックループ150と正確に同じものである。
The four linear arrival time detectors shown in FIGS. 20-23 are used with an amplifier having an
図20中の到着時間検出器180は、3つの機能ブロック、すなわち、混合PFD133、極性選択回路142および両端電荷ポンプ出力149からできている。混合PFD133は、電荷ポンプ149を有効にする最終の極性出力144として選択する極性選択回路142に2つの到着信号を提供する。極性選択回路142として、AND141とOR140の単一の論理ゲートを使って、最終の極性出力信号144の持続時間は、必然的に常に2つの入力信号間の到着時差に等しい。2つの入力信号間の到着時間差が0から無限のどこかでありえるので、最終の極性出力144の持続時間も0でありえ、2つの入力信号間の到着時間差が両頭電荷ポンプ出力149の入力閾値を乗り越えるために必要な時間よりも長くなるまで、両頭電荷ポンプ出力149は使用不能であり、線形到着時間検出器180のエラー出力117のためにデッドゾーンが生成される。
The
図21に示す線形到着時間検出器182のデッドゾーンは、極性選択回路142にAND136およびOR138の論理ゲートからなるフィードバックメカニズムを加えることによって、完全に除去される。これらの2つの論理ゲートは、リセット入力からのフリップフロップの伝搬遅延時間とAND論理ゲート126の伝搬遅延との合計に等しい最小持続時間を有する最終の極性信号144を生成する。デッドゾーンがもはや存在しないように、この最小持続時間は、通常、電荷ポンプ出力149の入力閾値を乗り越えるのに十分長い。デッドゾーンなしで、エラー入力信号114が決定しきい値164を超えるとすぐに、到着時間検出器182からのエラー出力117が使用可能となりうる。したがって、デッドゾーンなしで、線形到着時間検出器182は、より正確で、線形到着時間検出器および非線形到着時間比較器の全ての設計の中でベストである。
The dead zone of the linear
デッドゾーンが非線形到着時間比較器と線形到着時間検出器の待ち時間遅延時間を増やすことができるにもかかわらず、この期間中出力が生成されないので、デッドゾーンは線形エラー検出器および非線形エラー比較器の望まれていない状態である。信号が進行した位相シフトの量が、進行したその期間を超える周波数の積分に等しいので、周波数が定数であるときに、位相シフトの累積は時間の線形関数であり、また、たとえば、増減させる同調電圧を有するVCOからの出力信号のように、その周波数自身が時間の線形関数である場合、位相シフトの累積は時間の2乗関数になる。その結果、最終エラー訂正出力115の回転(slewing)がエラー入力信号114に決定しきい値164を超えさせようとするときに、エラー入力信号114が決定しきい値164を超える前に、2つの入力信号間の位相エラーはT2の速度で累算される。エラー入力信号114が決定しきい値164を超えた後であってデッドゾーン期間中、非線形エラー比較器から出力が生成されないので、位相エラーはTの遅い速度でのみ累算され、線形エラー検出器は、VCO112からのフィードバック信号の周波数を速めたり遅めたりする。周波数回転の方向が変更される前に、このように位相の拡散速度は遅くなる。デッドゾーンの存在なしで、位相エラーは常に同様のより速いT2の速度で累算され続け、その結果、デッドゾーンのない線形到着時間検出器および非線形到着時間比較器は、より良く、より均一に拡散されたクロック出力109を生成することができる。したがって、デッドゾーンの存在は、クロックスペクトラムの出力濃度の平滑を悪化させうるので、クロックエネルギーがピークを有し、拡散の損失が低くなりうる。
Although the dead zone can increase the latency delay time of the nonlinear arrival time comparator and the linear arrival time detector, no output is generated during this period, so the dead zone is a linear error detector and nonlinear error comparator. This is an undesired state. The accumulation of phase shift is a linear function of time when the frequency is constant, since the amount of phase shift the signal has advanced is equal to the integral of the frequency over that period of time, and for example, tuning to increase or decrease If the frequency itself is a linear function of time, such as an output signal from a VCO having a voltage, the accumulation of the phase shift is a square function of time. As a result, when the slewing of the final
図22に示す線形到着時間検出器154の設計は、片端電荷ポンプ出力ドライバ146が両端電荷ポンプ149の代わりに使われることを除いては、図20に示す設計とほぼ同じである。図23に示す線形到着時間検出器155の設計も、片端電荷ポンプ146出力ドライバが両端電荷ポンプ出力149の代わりに使われることを除いては、図21に示す設計とほぼ同じである。片端電荷ポンプ146の使用は、多少なりとも異なって、到着時間検出器の操作に影響を及ぼさない。片端電荷ポンプ出力ドライバは、2つの入力信号、極性信号およびイネーブル信号を必要とする。イネーブル信号がどれくらい長く出力電流を有効にすべきかについて決定すると共に、極性信号は出力電流の極性を決定する。
The design of the linear
非線形位相ロックループ
図24に示されるように、第4実施形態として、非線形位相ロックループ171のブロック図は、線形位相検出器170、ループフィルタ106、無限ゲイン130を伴う増幅器および可変遅延回路172を含む。伝統的に、大部分の線形位相ロックループアプリケーションでは、VCOが通常フィードバックモジュール105として使われるが、VCOの使用は到着時間ロックループに、線形位相ロックループを作る。これは、VCOが、フィードバック信号112の位相と周波数を同時に変更できるので、フィードバック信号112の到着時間が、位相の代わりに、エラー比較器によって比較される変数となるからである。フィードバックモジュール105としてVCOを使用する位相ロックループは、もはや位相ロックループではない。純粋な位相ロックループである位相ロックループにとって、フィードバック信号112の位相シフトを制御するために、可変遅延回路172はフィードバックモジュール105として使用されなければならず、全位相ロックループシステムは、同じ周波数でのみ作動されうる。この種の純粋な位相ロックループは、遅延ロックループとして一般に知られている。
Nonlinear Phase Locked Loop As shown in FIG. 24, as a fourth embodiment, the block diagram of the nonlinear phase locked
非線形位相ロックループ171を生成する最も単純な方法は、図24に示すように、無限ゲイン130を有する増幅器を有する線形位相検出器170を使用することである。線形位相検出器170はさまざまな方法で造られることが可能であり、最も単純な方法は、アナログ線形位相検出器として図25に示すように排他的ORゲート145を使用することである。排他的ORゲート145は、2つの入力信号から乗算製品(multiplication product)を提供し、位相比較サイクルの終わりの乗算製品の平均位相検出器出力187は、図26に示すように、2つの入力信号間の位相関係を示す。排他的ORゲート145に対する2つの入力信号間の位相差が90度である場合、平均化コンデンサ188上の平均位相検出器187の出力電圧は、位相比較サイクル終了時にゼロであり、平均化コンデンサ188上の平均位相検出器187は、位相差が90度より大きい場合、位相比較サイクル終了時にもっと正になり、位相差が90度より小さい場合、位相比較サイクル終了時にもっと負になる。サンプルホールド回路185は、位相比較サイクル終了時に平均エラー出力電圧117を生成するために必要である。非線形振幅比較器139は、それから、平均エラー出力117の極性のチェックに使用され、2つの入力信号間の位相差が90より大きいか、あるいは小さいかの決定に使用される。非線形振幅比較器139は、HまたはLの2つのデジタル出力状態のうちいずれかを生成するだけなので、決定出力123を生成する無限ゲイン130を有する増幅器として使用される。非線形振幅比較器139は、また、ループに無限DCゲインを提供するためのアクティブローパスフィルタとして構成されるOPAMPと取り替えられることが可能である。
The simplest way to generate a non-linear phase-locked
図25に示す線形位相検出器170は、理解および実行が非常に容易であるが、EXOR145に対する2つの入力信号は、常に、完全に50%のデューティサイクルを有しなければならない。デューティサイクルが50%から逸脱することは、平均化コンデンサ188上の位相検出器出力187でのネットDC電圧を生成するので、デューティサイクルが50%から逸脱することは、位相比較の正確度に影響を及ぼしうる。アナログ線形位相検出器170の他の不利な点は、それが多くの線形部材を必要とし、IC内部に多くの領域を使ってしまうことである。従来のアナログ線形位相検出器170の最も深刻な制限は、+/−90度の範囲の小さい位相検出である点である。したがって、より良い位相検出器が非常に望ましい。
The
図27に示す新規なデジタル線形位相検出器174は、第4の実施形態に対する第1補足実施形態として、排他的ORゲート145に起因するアナログ線形位相比較器170の問題のいくつかを解決するために提供される。新規なデジタル線形位相検出器174は、4つのフリップフロップと2つの電荷ポンプから形成される。4つのフリップフロップは、2つの特別なPFDモジュール232および234にグループ分けされる。これらの特別なPFDモジュールは、フリップフロップをリセットするためにANDゲートを必要としない。通常のPFDにおいて、AND論理ゲートがフリップフロップのためのリセット信号を生成するために必要であり、これによって、最後の到着信号が最終的に到着するときに、両方のフリップフロップが比較サイクルの終わりでリセットされる。ANDゲートを使用せずに、PFDのためのリセット信号として、フリップフロップからの出力信号のうちの1つを使用して、その信号が最後の到着信号となるように強制される。PFDモジュール234にとっては、基準信号110が常に最後の信号であり、PFDモジュール232にとっては、フィードバック信号112が常に最後の信号である。この新規なデジタル線形位相検出器174の操作タイミング図が図28に示される。フィードバック信号112がPFD232のためのリセット信号であるので、ソーシング電荷ポンプ127は、フィードバック信号112と前の基準信号110の間の位相差に等しい期間中に使用可である。基準信号110がPFD234のためのリセット信号であるので、シンキング電荷ポンプ129は、フィードバック信号112と電流基準入力信号110の間の位相差に等しい期間中に使用可である。フィードバック信号112が180度以上基準入力信号110の後にある場合、ソーシング電荷ポンプ127は、シンキング電荷ポンプ129が平均位相検出器出力電圧187を減少する時間よりも長い間、平均位相検出器出力電圧187を増加するので、平均位相検出器出力電圧187は、位相比較サイクルの終了時に正である。フィードバック信号112が180度未満だけ基準信号110の後にある場合、シンキング電荷ポンプ129は、ソーシング電荷ポンプ127が平均位相検出器出力電圧187を増加する時間よりも長い間、平均位相検出器出力電圧187を減少するので、平均位相検出器出力電圧187は、位相比較サイクルの終了時に負である。フリップフロップがクロック入力の端部により作動されるので、クロックのデューティサイクルは無関係であり、デジタル線形位相検出器174は、図29に示すように+/−180度の全ての位相エラーを検出できる。
A novel digital
したがって、デジタル線形位相検出器174は、線形位相検出器170としてEXORゲート145を使用するアナログ線形位相検出器よりも良い設計である。この種のデジタル線形位相検出器174は、通常、タイプII位相検出器として知られている。それにもかかわらず、上で示されるような線形位相検出器170のためのアナログ145およびデジタル174の設計では、相似体145と位相エラーの決定は、位相比較サイクルの終わりでのみされうる。これは、どちらの設計においても、フィードバック信号112の位相を測定するために異なる位相を有する2つの基準信号110が実際に使用されるからである。排他的論理和ゲート145を使用するアナログ線形位相検出器の設計では、基準信号110の立ち上がりエッジと立ち下りエッジは位相基準であり、アナログ線形位相比較器145の決定しきい値164は基準信号110の立ち上がりエッジと立下りエッジとの間の半分である。基準信号110の立ち上がりエッジが0度であり、基準信号110の立下りエッジが180度であるので、基準入力信号110が完全に50%のデューティサイクルを有すると仮定すると、アナログ線形位相比較器145の決定しきい値164は、正確に位相が90度である。デジタル線形位相検出器174を使用する設計では、電流基準信号110の立ち上がりエッジと前の基準信号110の立ち上がりエッジが2つの基準信号である。電流基準信号110の立ち上がりエッジが360度であり、前の基準信号110の立ち上がりエッジが0度であるので、位相比較の決定しきい値164は、これらの2つの信号間の半分であって、正確に位相が180度である。両方の設計において、位相比較の決定しきい値164は、明示的には決して生成されない。エラー出力117のための決定は、平均化コンデンサ188によって平均された両方の基準信号からの出力の後に生成されうる。その結果、位相検出器145および174の両方は、長い待ち時間遅延時間を必要とする。なぜなら、位相比較の最後に位相検出器の出力が平均されるまでは、決定が形成されないからである。無限ゲイン130を伴う増幅器を有するアナログ線形位相検出器145およびデジタル線形位相検出器174の両方は、位相比較サイクルの最後に最終位相比較エラー出力117を生成するためのサンプルホールド回路185を必要する。サンプルホールド回路185のためのサンプリングクロック184は、基準入力クロック110が位相基準を決定するので、基準入力クロック110から生成されることができる。サンプリングクロック184は、また、非線形位相ロックループに待ち時間遅延時間を与える。
Thus, the digital
もし単一の基準信号110を、非線形位相比較器176を有する単一のフィードバック信号112と比較するだけで位相の決定ができるなら、アナログ位相比較器の待ち時間遅延時間は改良可能である。位相比較のために位相基準を定めるのはより難しいので、非線形位相比較器176はあまり普及していない。信号の位相は、信号の他の特徴と全く異なる。信号の位相は0から360度の範囲であり、信号の位相は異なって解釈されうる。たとえば、信号Bの100度後にある信号Aは、信号Bの260度先の信号Aとも解釈される。混乱を防止するために、2つの信号間の位相差は通常180度以下に制限され、したがって、上述の例のように、信号Aは、信号Bの100度後にあると断言される。
If the phase can be determined simply by comparing a
拡散スペクトラム発生装置166として非線形位相比較器176を使用する非線形位相ロックループのブロック図が第5実施形態として図30に示される。非線形到着時間比較器は、容易に2つの信号間の位相差を検出できるので、非線形位相比較器176のために使用されるのに理想的である。それにもかかわらず、非線形到着時間比較器が常に位相比較をする前に適切にリセットされるように、非線形到着時間比較器のための位相の範囲が明かに定義されることが必要である。最小待ち時間遅延時間を伴う+/−180度の全範囲中で異なる位相を検出でき、デジタルコンポーネントを伴って完全に作られることが可能である非線形位相比較器176の新規なデジタル設計が第5実施形態に対する補足実施形態として図31に示される。この新規な非線形位相比較器176は、図32に示される2つの非線形到着時間比較器190から構成される。
A block diagram of a nonlinear phase-locked loop using a
この新規な設計では、各2つの到着時間比較器190のために、逆位相を有するリセットクロックの2つのストリームが提供される必要がある。図33に示されるように、基準信号入力110の立ち上がりエッジがリセットクロックのエッジ間のちょうど半分に位置されるように、リセットクロックは基準信号入力110の立下りエッジから生成されなければならない。その2つのリセットクロックは、偶数クロック199と奇数クロック192と呼ばれる。偶数クロック199がHの場合、偶数到着時間比較器はデフォルトの状態のままであり、その一方で奇数クロックがLであって、奇数到着時間比較器が位相比較のために決定出力を生成し、奇数クロック192がHの場合、奇数到着時間比較器はデフォルトの状態のままであり、偶数クロックはLであって、偶数到着時間比較器は位相比較のために決定出力を生成する。偶数および奇数到着時間比較器は、位相比較のために交代で決定出力123を生成し、2つの到着時間比較器190の一方だけがあらゆる与えられた時間で決定出力123を生成できる。
In this new design, for each two
各位相比較サイクルにおいて、基準入力信号110は、常に位相180度で到着し、位相比較サイクルの最初は常に0度であり、位相比較サイクルの最後は常に360度である。2つのリセットクロックストリームを使って、各到着時間比較サイクルの位相は非常に明確になり、新規な位相比較サイクルが始まって、該新規な位相比較サイクルが異なる結果をだすまで、決定出力123が現在の状態のままである場合、到着時間比較器190の両方のフリップフロップは、常にデフォルト状態である。その結果、到着時間比較器が、各2つの入力信号からの到着信号だけで全ての比較サイクルにおいてとても迅速に位相比較決定出力123を生成できるように、位相比較のための位相基準である0度、180度および360度が明確に定義される。常に180度で到着する基準入力信号110をフィードバック信号112が導く場合、基準入力信号110が到着する際に、基準入力信号110の到着は直ちに決定出力123をLに変える。一方、フィードバック信号112が到着するときに、フィードバック信号112は決定出力123をHに変える。したがって、非線形位相比較器176の設計は、曖昧性がない位相比較器の正確な設計である。それにもかかわらず、非線形位相比較器176の出力は、非線形到着時間比較器189のデッドゾーンのようなデッドゾーンを有する。
In each phase comparison cycle, the
デッドゾーンを除去するために、第4実施形態対する第2補足実施形態として、非線形到着時間比較器176に置き換えて図34に示す線形到着時間検出器178を使用することが必要とされ、したがって、この設計は、全ての非線形位相比較器の間で最高の設計である。非線形到着時間比較器190を使用するこの新規な線形位相検出器178は、以前の線形位相検出器145および174の2つの設計よりも優れている。なぜなら、この新規な線形位相検出器178は、速く、正確であり、曖昧性のない単一の到着イベントを有する新規な決定を生成できるからである。これは、また、デッドゾーンのないエラー出力信号117を生成できるので、エラー入力信号が決定しきい値164を超えるとすぐに決定がなされ、サンプルホールド回路178がもはや必要ではなく、線形位相検出器178の出力がエラー出力117として直接使われることができる。通常非常に小さい浮遊容量によって、エラー出力信号117が保持されるので、次の到着時間比較が開始するまでエラー出力が同じレベルに留まることができるように、エラー出力117を保持するための余分なコンデンサが必要かもしれない。
In order to eliminate the dead zone, it is necessary to use the linear
最終エラー訂正出力115を線形に増減することにより、フィードバック信号112の位相遅延が制御されるように、可変遅延回路172の変換特性は通常線状である。線形可変遅延回路172を使って、非線形位相ロックループ166および171は、非線形振幅ロックループ135のように、拡散スペクトラムクロック出力信号109のためにランダム位相拡散を生成することだけができる。その結果、線形可変遅延回路を使用している非線形位相ロックループ166および171から生成される拡散スペクトラムクロック出力信号109の拡散は、周波数拡散を生成するシステムと比較して非常に小さい。
The conversion characteristic of the
非線形位相ロックループ166および171から生成される拡散スペクトラムクロックの拡散を改善するために、可変遅延回路172の変換特性が改良される必要がある。可変遅延回路172の変換特性が最終エラー訂正出力115の一次関数ではなく、二乗関数である場合、最終エラー訂正出力115の線形の増減は、時間の二乗関数に従って変化する位相を伴う可変遅延回路172からの出力を生成する。時間周期を超える線形の増減を伴う信号の累積位相変化が時間の二乗関数と比例するので、二乗関数変換特性を有する可変遅延回路172は、位相拡散からの非線形位相ロックループ135の拡散スペクトラムクロック出力の拡散を効率的に改善でき、非常に拡散の効率を改善できる。
In order to improve the spread of the spread spectrum clock generated from the non-linear phase locked
非線形周波数ロックループ
拡散スペクトラム生成装置は、図35に示すように、第6実施形態196として、線形周波数検出器194と無限ゲイン130を有する増幅器を用いる方法、あるいは、図36に示すように、第7実施形態213として、非線形周波数比較器を用いる方法で、非線形周波数ロックループを用いることによっても製造可能である。
As shown in FIG. 35, the nonlinear frequency lock loop spread spectrum generating apparatus is a
線形周波数検出器194は、2つの入力信号間の周波数差から、図37に示すような変換特性を有するアナログ出力を生成する線形デバイスである。多くの現在の線形周波数検出器は、アナログコンポーネント、たとえば、変換特性のためのS曲線を生成する比検波器またはクォドラチャー検波器(直交検波器:quadrature detector)によって造られる。これらのアナログ線形周波数検出器のゲインは通常非常に低く、大きなトランスまたはコイルが要求されるので、これらのアナログ線形周波数検出器を使用することは通常非常に難しい。その結果、IC内部で完全なアナログ線形周波数検出器を実行することは、非常に難しい。デジタル設計を用いて線形周波数検出器を実行するには、また、多くの方法がある。線形周波数検出器のためのこれらのデジタル設計は、容易にIC内部で実行されることができるが、デジタル線形周波数検出器194の現在の設計があまり遅くまたは不正確であり、位相検出器または位相−周波数検出器よりも劣っているので、現在のデジタル線形周波数検出器はまったく役立たない。現在、デジタル線形周波数検出器の唯一の用途は、最初に基準入力信号110を得ている位相ロックループを助けるために、線形周波数ロックループを生成することである。一旦、位相ロックループに対する2つの入力信号間の周波数差が位相ロックループの捕捉範囲(capture range)内まで減少されると、線形周波数ロックループはそれから退去される。線形周波数ロックループは今日めったにそれだけでは使用されない。なぜなら、線形周波数ロックループの現在の設計は、何の役にも立たず、正確な周波数を有する信号を生成することすらできない。
The
デジタル線形周波数検出器194の現在の設計には、多くの不利益がある。第1に、それらのほとんどは、周波数差を検出するのが遅い。周波数差を知るために、通常、2つの入力信号間のビート信号のデューティサイクルとダイ周波数が測定される。ビート信号のデューティサイクルから、信号がより高い周波数を有することがわかり、ビート信号の周波数から、2つの周波数がどれだけ異なるかがわかる。残念なことに、2つの入力信号間の周波数差が小さい程、ビート信号の周波数は小さい。ビート信号の完全なサイクルが過ぎたときだけ、デューティサイクルが測定されるので、ビート信号の周波数が小さい場合にはデューティサイクルを決定するのに、非常に時間がかかる。通常、決定プロセスの速度を上げるために、ビート信号の周波数が時間枠の範囲内であるときに、2つの周波数が固定された条件で考慮されるように、周波数時間枠が必要である。この周波数時間枠はときどきデッドバンドと呼ばれ、周波数検出器のための第2の困難性、すなわち、正確に周波数差を検出できないという問題をもたらす。第3に、フリップフロップを有する周波数を測定するために、VCO112からのフィードバック信号は、基準入力信号110によって非同期でタイム計測され、あるいは反対も同様であり、確実にフリップフロップのための準安定問題が生じる。クロックとデータ入力が同時にフリップフロップに到着するときに、フリップフロップがどうすべきかわからないので、この問題はフリップフロップに発生する。エラーなくデータ入力信号を登録するフリップフロップのために、データ入力信号は、セットアップ時間を満足するのに十分な時間だけ、クロック信号がフリップフロップのクロック入力ポートに到着するよりも早く、フリップフロップのデータ入力ポートに到着すべきである。そして、データ入力信号は、エラーなし出力を維持するために、クロック信号が到着した後に、フリップフロップの保持時間要求よりも長い期間、同じレベルに維持される。セットアップ時間または保持時間要求の一方が破られる場合、フリップフロップの出力は予測不可能になりえて、この問題は、準安定問題として知られている。準安定問題は現在の周波数検出器の多くにとって基本的な設計欠陥であり、この問題は現在の周波数検出器の正確度と有用性を非常に制限するので、周波数ロックループ技術が過去40年の間にあまり進歩していない。
There are many disadvantages to the current design of the digital
最も普及している従来のデジタル線形周波数検出器の一つは、図38に示すものである。この設計において、VCO112からの信号は2つのパス、Iパス215およびQパス217に分割され、互いに位相が直角90度ずれている。Iパス215およびQパス217上の2つのフリップフロップ218および219は、VCO112と基準入力信号110からフィードバック信号間の周波数差を検出するために使われる。従来のデジタル線形周波数検出器194の動作のタイミング図が、図39に示される。フリップフロップが状態を変更する方法のシーケンスから、どの信号がより速い周波数を有するかについてわかる。基準入力信号110の周波数がより速いときに、基準入力信号110がVCO215および217からのフィードバック信号を通じて右から左に動くので、Qフリップフロップ218がLからH状態に変わるときに、Iフリップフロップ219はL状態のままである。基準入力信号110の周波数が遅いときに、基準入力信号110はVCO215および217からのフィードバック信号を通じて左から右に動くので、Qフリップフロップ218がLからH状態を変わるときに、Iフリップフロップ219はH状態のままである。その結果、Iフリップフロップ219からUDフリップフロップ221への出力をタイム計測するQフリップフロップ218からの出力信号を用いて、VCO112からのフィードバック信号の周波数が基準入力信号110よりも早く進むかどうかがわかる。ここで、UDフリップフロップ221は、VCO訂正のためのU/D制御230を生成する。VCO訂正の量は、排他的論理和(OR)ゲート225を用いて生成されるビート信号223の周波数により決定される。ビート信号の周波数が高い程、VCO108に対してより多くの訂正が必要になる。この設計は、単純で実行するのが容易である。しかし、VCO112からの基準入力信号110とフィードバック信号とが非同期であるので、この設計は基本的な準安定問題を有する。フリップフロップ219、218は、基準入力信号110とVCO215、217からのフィードバック信号とがそのフリップフロップに同時に到着する場合、何をすべきかわからない。その結果、この設計は、正確に周波数差を検出することができない。図38で示す電流デジタル周波数検出器194の正確度は、約l000ppmだけで一般的である。
One of the most popular conventional digital linear frequency detectors is that shown in FIG. In this design, the signal from
米国特許US6842049号には、ビート信号を測定することによって周波数差を検出する方法を提供する、周波数検出器の他の実施例が開示される。残念なことに、ビート信号の周波数が非常に低くなるので、この周波数検出器の応答時間は非常に長くなってしまう。他の米国特許US6834093号には、計算器を用いて周波数を比較し、大きい分周器を必要とするので応答時間が遅い、他の実施例が開示される。デジタル線形周波数検出器には他に多くの設計があるが、周波数検出器の全てのこれらの現在の設計は、上記の3つの技術に非常に似ており、単純に、周波数検出を急速そして正確に実行することができない。 US Pat. No. 6,842,049 discloses another embodiment of a frequency detector that provides a method for detecting a frequency difference by measuring a beat signal. Unfortunately, the frequency of the beat signal is so low that the response time of this frequency detector is very long. Another US Pat. No. 6,834,093 discloses another embodiment that uses a calculator to compare frequencies and requires a large divider to slow response time. There are many other designs for digital linear frequency detectors, but all these current designs of frequency detectors are very similar to the above three techniques and simply make frequency detection fast and accurate. Can not be executed.
正確で精密なデジタル周波数検出器は、設計が難しいが、拡散スペクトラムクロック発生装置を生成するために必要とするものでない。図36に示すように、拡散スペクトラムクロック発生装置のための非線形周波数比較器を使用することによって、より抑えることができる。周波数差のために正確な極性出力および振幅出力の両者を生成することを必要とする線形周波数検出器と違って、非線形周波数比較器が周波数差のための正確な極性出力を生成することだけを必要とするので、設計がより容易である。この開示で示されるように、拡散スペクトラムクロックを生成する非線形周波数ロックループで使用される正確で精密な非線形周波数比較器を形成するには、多くの方法がある。 An accurate and precise digital frequency detector is difficult to design but is not required to produce a spread spectrum clock generator. As shown in FIG. 36, the use of a non-linear frequency comparator for the spread spectrum clock generator can further suppress the problem. Unlike linear frequency detectors that need to generate both accurate polarity and amplitude outputs for frequency differences, nonlinear frequency comparators can only generate accurate polarity outputs for frequency differences. The design is easier because it requires. As shown in this disclosure, there are many ways to form an accurate and precise nonlinear frequency comparator for use in a nonlinear frequency lock loop that generates a spread spectrum clock.
図36に示す非線形周波数ロックループでは、非線形周波数比較器は、2つの安定した状態、HまたはLにおいてのみ、VCO108のための最終エラー訂正電圧115を生成でき、非線形周波数比較器のための決定しきい値164は、曖昧性なく周波数差ゼロで正確である。拡散スペクトラムクロック発生装置にとって、決定曖昧性を有する周波数比較器の現在の設計を使用することは可能であるが、上述のように、非線形到着時間ロックループにおいて、決定曖昧性が互いに相殺する誤った極性決定を生成しうるので、決定曖昧性を伴う非線形周波数比較器がVCOを調整する最終エラー訂正出力115上に成長する変調信号を生成し、VCOからフィードバック信号112までサイクルスリップを生成することは非常に難しい。その結果、決定曖昧性を伴う非線形周波数比較器は、決定曖昧性のない非線形周波数比較器と同じようにランダムにVCO112からのフィードバック信号を拡散しない。
In the non-linear frequency locked loop shown in FIG. 36, the non-linear frequency comparator can generate a final
基準入力信号110の周波数のN倍に等しい周波数FOUTを有する拡散スペクトラムクロック出力信号を生成する拡散スペクトラムクロック発生装置214として、典型的な非線形周波数を使用するブロック図が図40に示される。非線形周波数は、拡散スペクトラムクロック発生装置213としての基本的な非線形周波数ロックループよりも、典型的な非線形周波数ロックループ214の方が役立つ。なぜなら、容易に拡散スペクトラムクロック出力信号109の周波数を変更できるからである。フィードバックパスをNで割算する分周器111も、より多くの遅延時間をフィードバック信号に与えるので、ループの振動周波数は低く、周波数拡散はより広い。余計な遅延時間は、ループがより均一にクロック信号の周波数を拡散するための助けとなることができる。
A block diagram using a typical non-linear frequency as a spread
以下に、速くて正確で、全ての既存の準安定問題から開放される非線形周波数比較器のための新規な設計を示す。新規なデジタル周波数比較器の最高の解決法は、準安定問題を修正することによって、図38に示す現在の設計194を改良することである。準安定問題は、フリップフロップを使用する代わりに、周波数差を検出する図41に示す位相周波数検出器(PFD132)を使用することによって、解決される。図42は、両端が同じ形状(両頭)の電荷ポンプ出力を駆動するPFDのタイミング図である。
The following is a novel design for a nonlinear frequency comparator that is fast, accurate, and free from all existing metastable problems. The best solution for the new digital frequency comparator is to improve the
PFD132は、フリップフロップのためのリセット信号を生成する2つのフリップフロップとANDゲート126からなる。PFD132の2つのフリップフロップのうちの1つは、最初の信号が到着したときにセットされ、フリップフロップの両方は、到着信号が到着した後に、リセットされる。基準入力信号110が最初に到着する場合、それは基準フリップフロップ122をセットし、そして、UP出力242がハイ(H)になり、そのハイ状態は、VCO112からフィードバック信号が最後に到着するまで維持される。VCO112からのフィードバック信号は、VCOフリップフロップ124をセットし、ANDゲート126によって両方のフリップフロップをクリアするリセット信号128を生成するための信号である。VCO112からのフィードバック信号が最初に到着する場合、代わりに、DOWN出力244が最初にハイ(H)になることを除いて、同じプロセスを繰り返す。各フリップフロップが常に1つの信号だけによってトリガーが与えられるので、PFD132には準安定問題が全くない。そして、PFD132の両方のフリップフロップが最近の到着信号によってリセットされるので、AND論理ゲート126から生成されるリセット信号128は、図42に示すように、最近の到着信号のためのインジケータとして使うことができる。
The
2つの信号の間に周波数差があるかどうか知る最も簡単な方法は、どのように1つの信号が他のものをスライドスルーする(slide-through)かを見ることである。周波数差がない場合、スライドスルーがないように、2つの信号は互いに静止している。わずかな周波数差がある場合、信号のうちの一方は周波数差の割合で他をスライドスルーする。周波数の差は、ビート信号を生成する。周波数比較器としてなので、どちらの信号が速いかが知りたいだけで、2つの信号間の周波数差の量が知りたいのではない。2つの信号の相互のスライドスルーがわかるとすぐに、どちらの信号がより速いかがすぐにわかる。1つのスライドスルーだけで、どちらの信号がより速いかを知るのに十分である。どの信号がより速いかについて知るために、ビート信号の1サイクルの全期を待つ必要はなく、新規な非線形周波数比較器の待ち時間遅延時間は短い。 The simplest way to know if there is a frequency difference between two signals is to see how one signal slides through the other. When there is no frequency difference, the two signals are stationary relative to each other so that there is no slide-through. If there is a slight frequency difference, one of the signals slides through the other at the rate of the frequency difference. The frequency difference generates a beat signal. Because it is a frequency comparator, you only want to know which signal is faster, not the amount of frequency difference between the two signals. As soon as you know the mutual slide-through of the two signals, you know immediately which signal is faster. A single slide-through is sufficient to know which signal is faster. In order to know which signal is faster, it is not necessary to wait for the whole period of one cycle of the beat signal, and the latency delay time of the new nonlinear frequency comparator is short.
どのように1つの信号が他をスライドスルーするかを調べるために、2つの入力信号のうちの1つは、他信号に直交の基準を提供する必要がある。第7実施形態に対する第1補足実施形態として2つのPFDを使用する非線形周波数比較器220の概要図である図43に示すように、直交の基準信号となる基準入力信号110が選択されうる。そうするために、基準信号110が2つのパスに分割され、各パスのために別々のPFD132が使用される必要がある。2つの直交の基準信号パスを、Iref272およびQref274と呼び、各PFD132からのリセット信号出力128を結合することによって、最終のリセット出力258を生成するためのOR論理ゲート256が使用される。最良の結果のために、直交信号間の位相関係は360/Nに等しくなければならず、ここでNは周波数比較のために使用されるPFDの数に等しい。N=2のとき、2つの直交信号間の位相関係が180度であるので、インバータを使用して容易に直交の基準を実行できる。直交信号間の不規則な間隔の位相差は、周波数比較にとって一様でない周波数ノイズを生成するので、是非とも妨げられなければならない。直交の基準信号の期間は、周波数比較サイクルの期間を決定する。
In order to see how one signal slides through the other, one of the two input signals needs to provide an orthogonal reference to the other signal. As shown in FIG. 43, which is a schematic diagram of a
図43に示す非線形周波数比較器220の設計において、基準信号110の周波数がVCO112からのフィードバック信号の周波数より早い場合、VCO112からのフィードバック信号は両方のPFD132のためのリセット信号を生成する最近の到着信号である。Iref272とQref274の両基準入力信号は、VCO112からの同じフィードバック信号と比較され、両PFDはVCO112からの同じフィードバック信号によりリセットされるので、全ての周波数比較サイクルにとって、最終のリセット出力258には、1つのリセット出力信号しかない。VCO112からのフィードバック信号の周波数が基準入力信号110の周波数より速い場合なら、基準入力信号が両方のPFDのためのリセット信号を生成する最近の到着信号である。二つのIおよびQ基準信号が位相不一致であるので、基準入力Iref272とQref274は、異なる時間に発生する。その結果、全ての周波数比較サイクルのためのOR論理ゲート256の出力の最終のリセット信号258に、2つの別々のリセット出力信号がある。PFD132からのリセット信号128のパルス幅は、リセット入力からのフリップフロップの伝搬遅延とAND論理ゲート126の伝搬遅延の合計により決定され、リセット信号128のパルス幅は単一の論理ゲートの伝搬遅延の4倍にほぼ等しい。
In the design of the
このように、OR論理ゲート256の出力の最終リセット信号258で、リセットパルスの数を計数することによって、どの信号がより速いかについて知ることができることは明らかである。基準入力信号110の周波数の方が速い場合、全ての周波数比較サイクルに1つのリセット信号しかない。VCO112からのフィードバック信号の周波数の方が速い場合、全ての周波数比較サイクルには2つのリセット信号がある。
Thus, it is clear that by counting the number of reset pulses with the final reset signal 258 at the output of the
2つの入力信号が非同期であるので、OR論理ゲート256の出力の最終リセット信号258は、VCO112からの基準入力信号110またはフィードバック信号によって生成されることができる。特にサイクルスリップが発生するときに、2つの非同期入力信号間のタイミングの不確実さは、OR論理ゲート256のアウトプットにおいて不具合を生成しうる。遅い信号が速い信号よりも大分遅れて、現在の遅い信号により生じるフリップフロップのリセット期間中に次の速い信号が到着して、次の速い信号が登録されずに失われたときにサイクルスリップは発生する。その結果、遅い信号は、実質的に次の周波数比較サイクルのための速い信号になる。遅い信号は、該遅い信号に速い信号が追いつくまでの短い期間残りさえするかもしれない、
VCO112からのフィードバック信号が遅い信号であるときに、VCO112からのフィードバック信号は両方のPFDのためにリセットパルスを生成する。2つのリセット信号は両方ともVCO112からの同じフィードバック信号から生成されるので、OR論理ゲート256での最終のリセット出力258は、常に各PFDと同じリセットパルス128である。しかし、サイクルスリップが発生するときに、PFDのうちの1つは、基準入力信号110からのリセット信号128を生成し、他のPFDはVCO112からのフィードバック信号からリセット信号128をまだ生成し、OR論理ゲート256のアウトプットにおいての最終リセットパルス258は同じソースからはもはや来ない。サイクルスリップが発生するときに、2つのリセットパルスが2つの異なるソースから生成され、これらの2つの最終リセットパルスが位相において互いに非常に近いので、OR論理ゲート256のアウトプットに結合された最終リセットパルス出力258は、1つまたは2つのパルスであり、2つの非同期入力信号間のタイミング不確実性に起因する不具合が生成されうる。したがって、VCO112からのフィードバック信号が遅い信号であるときに、サイクルスリップは、リセットパルスの数を1つ増加させることができる。
Since the two input signals are asynchronous, the final reset signal 258 at the output of the
When the feedback signal from
基準入力信号110が遅い信号である場合、基準入力信号110は、全ての周波数比較サイクルで2つのリセットパルスを生成する。サイクルスリップが発生するときに、リセットパルスの一方はVCO112からフィードバック信号により生成されると共に、他方は、基準入力信号110によってさらに生成される。2つの基準入力信号が180度のオフセットで間隔をあけられるので、OR論理ゲート256のアウトプットにおいての2つの最終リセットパルス258も、全ての期間、サイクルスリップ期間中でさえ、約180度間隔をあけられ、これらの2つのリセットパルスは相互に干渉しない。基準入力信号110が遅い信号であるときだけ、サイクルスリップは、わずかに最終リセットパルス258のタイミングに影響を及ぼすことができる。
If the
この理解により、図43に示すようにたった2つのPFDを用いて非線形周波数比較器220を設計でき、3つの構造モジュール、すなわち、直交モジュール305、リセットパルスモジュール307および決定モジュール309から形成される。直交モジュール305は、リセットパルスモジュール307のVCO112からのフィードバック信号と比較される基準直交信号から生成される。それから、決定モジュール309は、周波数比較サイクルで発生したセットパルスの数を計数することによって、周波数比較の極性を決定する。この回路では、最終のリセット信号258を非同期4分割分周器260に通すことによって、イネーブル信号250が生成され、イネーブル信号250は、周波数決定ラッチ266および268へのリセット信号として使用される。2つの周波数決定ラッチ266および268は、4つの出力ラッチ264に格納される周波数決定出力を交替で生成する。4つの入力270を伴うOR論理ゲートは、それから、出力ラッチから全ての出力を結合することによって、最終の決定出力123を生成するために使用される。
With this understanding, the
最終リセットパルス258の周波数が基準入力信号110の周波数と等しく、あるいは、基準入力信号110の周波数の2倍なので、イネーブル信号250の周波数は、基準入力信号110の周波数の半分か、あるいは、基準入力信号110の周波数の4分の1である。その結果、イネーブル信号250は、基準入力信号110の1倍の期間または基準入力信号110の2倍の期間に、HまたはLのいずれかのレベルに留まる。イネーブル信号250が基準入力信号110の1倍の期間だけ留まる場合、周波数決定ラッチ266および268は、出力ラッチ264にH出力を生成しない。なぜなら、それは、出力ラッチ264へのH出力を計測するために、基準入力信号110からの少なくとも2つのクロックエッジを必要とするからである。VCO112からのフィードバック信号が遅い信号である場合にだけ、イネーブル信号250は、出力ラッチ264のためにH出力を生成し、イネーブル信号250の周波数が基準入力信号110の4分の1であるので、基準入力信号110の2つ分の期間イネーブル信号250がHまたはLの一方のレベルにとどまる。その結果、決定出力123でH出力が検出されるとすぐに、VCO112からのフィードバック信号が遅い信号であるがわかる。
Since the frequency of the
しかしながら、サイクルスリップが発生する場合、2つのPFDしか使用しないこのシンプルな周波数比較器は、正確な周波数比較結果を生成できない。VCO112からのフィードバック信号が遅く、サイクルスリップが発生する場合、最終リセットパルス258の不具合は、2つまでリセットパルスの数を増やすことができ、イネーブル信号250の周波数はすぐに増加する。その結果、イネーブル信号250の期間は、基準信号110の2つのクロック周期よりも短く、出力ラッチ264は、誤ったL決定出力123を生成する。誤った決定出力123は、特に2つの入力信号間の周波数差が小さいときに歴然とし、基準入力信号110がサイクルスリップを克服するのにより多くの時間がかかる。その結果、全ての他の電流周波数比較器のように、2つの入力信号間の周波数差が小さいときに、図43に示すように2つのPFDを使用する非線形周波数比較器220の設計は、不正確な結果を生成する。
However, if a cycle slip occurs, this simple frequency comparator using only two PFDs cannot produce an accurate frequency comparison result. If the feedback signal from the
図43に示すように2つのPFDだけを使用する非線形周波数比較器220に対する、サイクルスリップの影響を減らすための1つの可能な解決法は、最終のリセット信号258のパルス幅を伸ばすことである。VCO112からのフィードバック信号が遅い信号である場合に、サイクルスリップがエラーを発生させ、加えて、VCO112からのフィードバック信号が遅い信号である場合に、サイクルスリップ期間中に2つの信号が位相において相互に離れすぎていないので、最終のリセット信号258を十分に長く伸ばせば、不具合を取り繕うことができるが、不具合を取り扱う最善の方法は、第一に不具合を発生させないことである。不具合が設計技師により生成され、それらが生成されたあとに、不具合を取り繕おうとしても努力の甲斐がない。設計技師は、シンプルに不具合(期間)のない回路を設計しなければならない。
One possible solution to reduce the effects of cycle slip for a
サイクルスリップは必然的であり、それは、2つの非同期的な信号が相互に移動するときにはいつでも起こる。サイクルスリップによって生成され、リセット信号を1つ増加させうる不具合を克服するために、PFD132の数を増加させる必要がある。周波数比較のための3つのPFDを使用するならば、VCO112からのフィードバック信号の周波数が速い場合、周波数比較サイクルにつき3つのリセット信号がある。VCO112からのフィードバック信号が速い場合、基準入力信号110は最近の到着信号であるので、3つの全ての最終リセット出力信号258が基準入力信号110により生成される。サイクルスリップ期間中、最終のリセット出力258のリセットパルスの一つは、VCO112からのフィードバック信号から生成されることができ、最終リセットパルス258のタイミングは変動できる。3つの直交の基準入力信号が120度ずつ位相シフトされているので、最終のリセット出力258のリセットパルスは、サイクルスリップ期間中でさえ、相互に干渉しない。しかし、サイクルスリップに起因するタイミング不確実性は、最終リセットパルス258のタイミングに、不確実性を引き起こしうる。基準比較信号110の固定された期間でのリセットパルス数を計数するので、固定された周波数比較期間でのリセットパルス数は、サイクルスリップが発生するときのタイミング不確実性によって、2つまで減らされることができる。
A cycle slip is inevitable and occurs whenever two asynchronous signals move relative to each other. The number of
基準入力信号110の周波数がより速い場合、3つの全てのPFDはVCO112からの同じフィードバック信号からリセット信号を生成するので、通常あらゆる周波数比較サイクルの最終リセット出力258で、VCO112からのフィードバック信号によって、たった一つのリセットパルスが生成される。サイクルスリップの間、VCO112からのフィードバック信号に非同期であって、VCO112からのフィードバック信号に位相が非常に近い基準入力信号110によって、現在のリセットパルスのうちの1つが生成されるので、最終のリセット出力258のリセットパルス数は、2つの非同期入力信号のタイミング不確実さに起因するサイクルスリップ期間中、2つか1つになる。その結果、周波数比較サイクルにおいて、最終リセット出力258のリセット出力信号数が1つか3つであれば、どの信号が早いかを確実に知ることができる。したがって、非線形周波数比較器のための3つのPFDを使用する設計は、常に、正確な周波数比較結果を生成できる。周波数比較サイクル中のリセットパルス数が2つである場合、決定できないので、非線形周波数比較器にとって決定を切替えることにより多くの時間がかかる。したがって、3つのPFDを使用する非線形周波数比較器の待ち時間遅延時間は、このように長くなる。なぜなら、少なくとも2つの周波数比較サイクルを必要として、リセットパルスの数が1つから3つまたは3つから1つに変わるときだけ、決定出力123が変更されることができるからである。
If the frequency of the
3つのPFD132を使用する非線形周波数比較器200の実例が、第7実施形態に対する第2補足実施形態として、図44に示される。デジタル周波数比較器200は、3つのモジュール、すなわち、直交モジュール305、リセットパルスモジュール307および決定モジュール309によって形成されうる。直交モジュール305は、リセットパルスモジュール307において実行される周波数比較のための直交の基準信号を生成する。正確な位相を有する直交信号を生成するために、リセットパルスモジュール307ので使用されるPFDの数に、比較基準入力信号110の周波数を乗算した値に等しい周波数を有する高周波基準クロック261が必要である。
An example of a
基準入力信号110の周波数の3倍に等しい周波数を伴う高周波基準クロック261は、それから、いかなる近接した2つの基準信号間で正確に120度の位相差を有する3つの等しく間隔が空けられた直交基準信号110、306および308を生成する。リセットパルスモジュール307は、論理和ゲート256を有する各PFD132からの全てのリセット出力信号128を結合することによって、決定モジュール309のための最終リセットパルス258を生成する。決定モジュール309は、基準入力信号110の期間(周波数比較期間でもある)に起こるリセットパルス数を計数することによって、どの信号がより高い周波数を有するかを決定する。
A high
図44に示すように、最終のリセット出力信号258になる3つのPFDからの3つのリセット信号128を結合するために、3つの入力256を伴うOR論理ゲートが使用される。基準周波数比較期間110中の最終リセット出力258から、リセットパルスの数を計数することによって、どの信号が早いかを決定する決定モジュール309の設計には種々のものがある。決定モジュール309を構成する最も簡単な方法は、図44で示すように、3分割分周器320を使うことによって、ワンショット発生装置262のためのより低い周波数トリガー信号222になる最終のリセット出力信号258を分けることであり、ワンショットの出力224が9ビットシフトレジスタに順番に最終的に格納され、9ビットシフトレジスタ226に格納される9ビット加算器228が使用され、9ビットの加算器228の合計が基準周波数比較信号110の期間中に発生するリセット信号数と等しい。決定は、それから、9ビット加算器228の結果から、正確に作られることができる。9ビット加算器228の合計が3である場合、VCO信号112の周波数は、基準信号110の周波数より速くなければならない。9ビット加算器228の合計が1である場合、VCO112からの信号の周波数は、基準入力信号110の周波数より遅くなければならない。この設計はとてもシンプルだが、多くのハードウェアを必要とし、ハードウェアの数は、使用されるPFDの数が増加したとき、指数的に増加する。この設計において必要とされるフリップフロップの数は、使用されるPFDの数のN2およびNの割合で増加する。
As shown in FIG. 44, an OR logic gate with three
図44に示すこの設計では、最終リセット信号258を3分割するために、3分割分周器320が使用される。OR論理ゲート256の出力からの最終リセットパルス258は、非常に短い期間を有し、最終リセットパルスのタイミングは、VCO112からのフィードバック信号または基準入力信号110のどちらが後に到着するかに従って、一方の信号と同期する。したがって、最終リセットパルス258のタイミングは、変化できる。タイミングの不確実さと短い時間周期という特質は、最終リセットパルス258を直接処理することを非常に難しくする。
In this design shown in FIG. 44, a divide-by-three
その短い時間周期の問題は、リセットパルスの期間を延長するために分周器320を用いることによって解決でき、タイミングの不確実さの問題は、高周波基準クロック261により計測されるワンショット回路262を用いることによって解決される。典型的なワンショット回路262が、図45に示される。ワンショット回路262は、常に高周波基準クロック261により計測される出力信号224を生成し、ワンショット262からのH出力の時間期間は一定で固定されており、いつも高周波基準クロック261のクロック周期と等しい。したがって、準安定問題はもはや問題ではない。なぜなら、タイミングの不確実性に起因する高周波基準クロック信号261のクロック周期によって、ワンショット262からの出力パルス224のタイミングが変化しうるにも関わらず、ワンショット262からの出力パルス224のパルス幅は、いつも高周波基準信号261の一つのクロック周期であるからである。換言すれば、準安定問題は、この設計上ではまだ影響するが、悪影響にはならない。なぜなら、準安定問題がこの設計に対して与える最も悪い影響は、高周波基準クロック信号261のクロック周期だけ、ワンショット262からの出力224を遅らせることだからである。
The short time period problem can be solved by using a
このワンショット262には2つのJ−Kフリップフロップがあり、第1のJ−Kフリップフロップ312の出力がHであり、その一方で、第2のJ−Kフリップフロップ314がまだLであるときに、ワンショット262の出力は生成される。2つのJ−Kフリップフロップからの出力は、タイミングの正確度を保証するためにDフリップフロップ316によってクロックアウトされる前に、高周波基準クロック261のトリガーでない部分(non-trigger part)と、論理的に論理積される。ワンショット262へのトリガー信号222の期間は、トリガーの成功を確実にするために、高周波基準クロック信号261のクロック周期より長くなければならない。最終リセットパルス258の最大周波数が3回であるので、トリガー信号222の最大周波数が高周波基準周波数261の1/3である基準信号110の周波数と同じになる。その結果、ワンショット262からの出力224に常にエラーがないように、ワンショット262のためのトリガー信号222は、高周波基準クロック信号261のクロック周期より常に長い。
This one-
VCO112からのフィードバック信号の周波数が速い場合は、ワンショット262へのトリガー信号222は、基準信号110と同じ周波数を有し、VCO112からのフィードバック信号の周波数が遅い場合は、ワンショット262へのトリガー信号222の周波数は、定常状態の基準入力信号110の周波数の1/3だけである。サイクルスリップまたは準安定条件が発生するときに、トリガー信号222の周波数は基準信号110の周波数の2/3でありえる。
When the frequency of the feedback signal from the
ワンショット262からの出力224を格納する9ビットシフトレジスタ226と、基準周波数比較信号110の3周期以上シフトレジスタ226に格納されるワンショット回路262からのパルス出力を加えるための加算器228とが使用される場合、9ビット加算器228の出力は、基準周波数比較信号110の1周期にどれだけ多くのリセットパルスが発生したかを示す。基本的に、最終リセットパルス258が最初に3分割され、それから、それは基準周波数比較期間110の中の最終リセットパルスのもともとの数を得るために後で3倍され、ワンショット262の出力からのパルスを格納する9ビットシフトレジスタと、それらを加算する加算器228とが必要になる。決定は、この設計によって、正確になされることができる。9ビット加算器228の出力が3であるときに、VCO112からのフィードバック信号の周波数は基準入力信号110の周波数より速くなければならないことが知られているので、VCO112の周波数を遅くするために負の出力が必要である。9ビット加算器228の出力が1である場合、VCO112からのフィードバック信号の周波数は遅くなければならず、VCO112の周波数をスピードアップするために肯定的な出力が必要である。マルチプレクサ237およびラッチ239が、決定出力123の信号を生成するために使用されうる。9ビットの加算器228の合計が奇数である場合のみ、ラッチ239の出力が変更されるので、9ビット加算器228の出力の最下位ビットS0がマルチプレクサ237のためのイネーブル信号として使われることができるので、9ビットの加算器228の出力の最下位ビットS0がフォールスの場合に、ラッチ239の出力は、同じままである。9ビット加算器228の最下位ビット出力S0がトゥルーの場合、ラッチ239の出力は9ビット加算器228の第2最下位の出力ビットS1により決定される。シフトレジスタおよび加算器を使用する設計は、非常に単純であるが、PFDが使われるときに、特により多くのハードウェアが必要である。ハードウェア量を抑えるために、第7実施形態204に対する第3補足実施形態として図46に示されるように、どの決定モジュール309のための周波数がより早い周波数を有するかを決定する代わりに、ステートマシン330が使用される。
A 9-bit shift register 226 for storing the
図47は、ステートマシン330のアルゴリズムを示す。ステートマシン330は、高周波基準信号261により時間計測される。ワンショット262も、高周波基準信号261により時間計測されるので、その出力は高周波基準信号261のクロック周期Hのままである。上述のように、3分割分周器320の出力のトリガー信号222の周波数は、基準入力信号110の周波数と基準入力信号110の周波数の1/3の間にあり、基準入力信号110の周波数が高周波基準信号261の1/3だけであるので、ワンショット出力224からH出力の間の期間は、VCO信号112からのフィードバック信号の周波数が速い場合に高周波基準クロック周期2つ分であるか、VCO信号112からのフィードバック信号の周波数が遅い場合に高周波基準クロック周期8つ分であるかのいずれかである。ワンショット262からの新規なH出力が到着するまでに、いくつのL状態を経てきたかを単純に計数することによって、ワンショット262からの新規なH出力が到着する毎に毎回正確に決定がなされる。現在の決定出力123がLである場合、それは、L状態の数が高い決定しきい値より多いときに、Hに変更できるだけであり、現在の決定出力123がHである場合、それは、L状態の数が低い決定しきい値よりも少ないときに、Hに変更できるだけである。この方法によって、決定出力123は正確に作られることが可能であり、曖昧性がない。
FIG. 47 shows the algorithm of the
ステートマシン330の方法は単純なのでより少ない論理ゲートしか使用しないが、しかしながら、第7実施形態200に対する第2補足実施形態に示すように、前のシフトレジスタと加算器の方法よりも遅い速度で決定がなされる。なぜなら、ステートマシン330は、高周波基準クロック周波数261の1/3〜1/9の割合で発生するワンショット262のH出力が到着した後だけ、出力の状態が変更しうるからである。反対に、レジスタと加算器の方法は、高周波基準クロック周波数261の割合で出力をアップデートすることができる。非線形周波数比較器のために決定モジュール309を実行するには多くの他の方法があり、図示された2つの従前の実施例として、各設計はその長所と欠点を有する。図44に示すシフトレジスタと加算器方法200の応答時間は速いが、回路を実行するために多くのハードウェアを利用し、PFDの数が増加するとハードウェアのサイズは指数的に大きくなる。図46に示すステートマシン方法204は、最小限の数のハードウェアしか使用しないが、そのレスポンスは遅くなってしまう。
Since the
上記の2の設計では、加算器の合計が3または1であるときだけ、決定出力123を変更でき、加算器の合計を1から3までまたは3から1に変更するのに、少なくとも2つの基準周波数比較期間110が必要であるので、決定出力123を変更するのにより多くの時間がかかる。
In the above two designs, the
第7実施形態に対する第4補足実施形態として、2つの飽和可能なカウンタ(saturatable counter)を使用することによって、各周波数比較サイクルの終了時に正確な決定ができる新規な改良された設計430が図48に示される。決定モジュール430の設計は、図49に示される。この設計において、3分割分周器320によってリセットパルスモジュール307からの最終のリセット出力258を分割することによって、イネーブル信号408が生成される。リセットモジュール307の3つのPFDを用いれば、VCO112からのフィードバック信号が高周波数のときに全ての周波数比較サイクルに3つのリセットパルスがあり、VCO112からのフィードバック信号が低周波数を有するときに全ての周波数比較サイクルに1つのリセットパルスがある。飽和可能なカウンタにとってのイネーブル信号408を生成するために最終リセットパルス258を分割する同期3分割分周器320を使用する場合、イネーブル信号408は、基準入力信号110の周波数と等しい周波数を有するか、基準入力信号110の1/3の周波数に等しい周波数を有する。イネーブル信号408の周波数が基準入力信号110の周波数に等しい場合、同期3分割分周器320に起因して、基準比較周波数入力信号110の期間の1/3または2/3のいずれかに等しい持続時間中、イネーブル信号408は、HまたはLのいずれかのレベルに留まることができる。イネーブル信号408の周波数が基準入力信号110の周波数の1/3に等しいときに、同期3分割分周器320に起因する定常状態の基準比較周波数入力110の1、2期間に等しい持続時間中、イネーブル信号408は、HまたはLのいずれかのレベルに留まることができる。その結果、どの信号がより速く伝達するかを見つけるために、決定しきい値として基準信号110の期間を使用できる。基準信号110の期間(高周波基準クロック261のクロック周期3つ分に等しい)よりも長い持続時間中HまたはL出力レベルにとどまっているイネーブル信号408を検出する場合、VCO112からの信号の周波数がより遅いことが保証される。
As a fourth supplemental embodiment to the seventh embodiment, a new and
VCO112からのフィードバック信号が速くサイクルスリップが起こった場合、同期3分割分周器320の出力のイネーブル信号408の持続時間は、2つの非同期入力信号間のタイミング不確実性に起因して、基準入力信号110の期間の1/3または2/3より少し長くなり、または少し短くなる。タイミング不確実性はそれほどイネーブル信号408の期間を変更しない。なぜなら、3つの直角基準信号が120度位相オフセットで間隔が空けられ、リセットパルスはサイクルスリップの間でさえお互い干渉しないからである。したがって、イネーブル信号408の期間が、基準入力信号110の期間の1/3または2/3と略同じに留まり、基準入力信号110の期間のしきい値をまだかなり下回る。その結果、飽和可能なカウンタ406は、決して1より高くならず、VCO112からのフィードバック信号が速い信号であるときに、CO404は常にフォールス(誤り)である。
If the feedback signal from the
VCO112からのフィードバック信号が遅く、サイクルスリップが発生する場合、イネーブル信号408の期間はある不具合に起因して半分に縮められる。その結果、不具合が存在するときには、不具合がないときの基準入力信号の期間の1つ分または2つ分の代わりに、基準入力信号110の期間または基準入力信号110の半分の期間の間、イネーブル信号408がHまたはLのレベルに留まる。したがって、サイクルスリップの有無に関係なく、イネーブル信号408は、常に基準入力信号110の期間の間、HまたはLのレベルに留まって、飽和可能なカウンタ406がいつもトップに届くことを許し、VCO112からのフィードバック信号が遅い信号である場合にCO404の出力を可能にする。その結果、2つの飽和可能なカウンタ406は、容易にサイクルスリップ問題を解決できる。
If the feedback signal from the
したがって、2つの飽和可能なカウンタ406を使用するデジタル周波数比較器206の設計は、非線形周波数比較器にとって、最少の待ち時間遅延時間を有する決定出力123を提供するための最高の設計である。それにもかかわらず、デジタル到着時間ロックループから拡散スペクトラムクロック発生装置を作成することからわかるように、エラー比較器の待ち時間遅延時間が周波数拡散を増大させるので、拡散スペクトラムクロック発生装置にとってより長い待ち時間は必ずしも悪いものではない。
Thus, the design of
イネーブル入力408がフォールスの場合、飽和可能なカウンタ406からのCO出力404はゼロに保持される。イネーブル入力408がトゥルーの場合、新規なクロックエッジが到着するときはいつでも、飽和可能なカウンタ406のカウントをインクリメントし始める。しかし、N=2を有する飽和可能なカウンタ406にとって、どれだけ多くのクロックエッジが到着したかにかかわらず、カウンタ出力は2より高くならず、カウンタの出力は2に保持され、N=2を有するカウンタのトップが到着したときに、実行出力(Carry Out output)CO404は、Hに保持される。決定モジュール309として2つの飽和可能なカウンタ406を使用する設計430にとって、飽和可能なカウンタ406の一つは、3分割分周器320の出力がHのときにだけアクティブであり、もう一方の飽和可能なカウンタ406は、3分割分周器320の出力がLのときにだけアクティブである。この設計の原理は、VCO112からの信号の周波数が遅いときに、あらゆる周波数比較サイクルの最終のリセット出力258でリセット出力がたった一つだけあるので、VCO112からの信号の周波数が遅いときに、3分割分周器出力320でのイネーブル出力信号408の期間が非常に長いということである。一旦、3分割分周器出力320の出力から長い期間が検出されると、VCO112からの信号の周波数は遅くなくてはならないことがわかる。2つの飽和可能なカウンタの目的は、3分割分周器320のアウトプットにおいてHまたはLレベルのいずれか一方で、単に長い期間を探すことである。一旦高周波基準クロック周期の3つ分よりも長い3分割分周器出力320からの期間が検出されると、飽和可能なカウンタは、CO404信号を有効にし、有効化されたCO404信号が順番に6ビットシフトレジスタ410により格納され、周波数比較器の決定出力123は高周波基準クロック261の6つのクロック周期の期間の6つの入力412を伴うORゲートによってロックされ、サイクルスリップにより生成される不具合と決定回路の飽和可能なカウンタのスイッチングを防止する。その結果、この設計は、速い応答時間を提供し、ハードウェアの量を低減し、要求されるシフトレジスタの数が2*Nの割合で線形に増加するだけである。ここで、Nは、使用されるPFDの数である。
If enable
3つのPFDとN=2を有する2つの飽和可能なカウンタを使用する周波数比較器の設計では、理論的には、サイクルスリップによって生じる不具合と2つの飽和可能なカウンタ間のスイッチングを防止するために、最低6ビットのシフトレジスタと6つの入力を有するORゲートか必要とされる。それほど多くのシフトレジスタが必要とされる理由は、2つの飽和可能なカウンタが選択的にリセットされるからである。一旦、飽和可能なカウンタがリセットされると、直ちに現在のH出力が失われる。もう一度新たなH出力を生成するには多くて高周波基準クロック周期6回分が必要となるので、現在のH出力を維持するために6ビットシフトレジスタが必要になる。2つの飽和可能なカウンタの一方を偶数カウンタ、他方を奇数カウンタと命名し、偶数カウンタが、現在、H出力を生成しているとする。奇数カウンタが利用可能な次のサイクルで、奇数カウンタがサイクルスリップのせいでH出力を生成しないことが起こりうるので、次回にH出力を生成するために偶数カウンタが利用可能になるまで待たなければならない。偶数カウンタがH出力を生成するには少なくとも高周波基準クロック3回かかり、奇数カウンタがサイクルスリップのせいでH出力を生成しないのに多くて高周波基準クロック3回かかるので、新しいH出力が再び生成される前に多くて高周波基準クロック6回かかるので、6ビットシフトレジスタが必要になる。 In the design of a frequency comparator using three PFDs and two saturable counters with N = 2, theoretically to prevent faults caused by cycle slips and switching between the two saturable counters An OR gate with a minimum 6-bit shift register and 6 inputs is required. The reason that so many shift registers are required is that the two saturable counters are selectively reset. Once the saturable counter is reset, the current H output is lost immediately. To generate a new H output again, at most six high-frequency reference clock cycles are required, so a 6-bit shift register is required to maintain the current H output. Suppose that one of the two saturable counters is named an even counter and the other is an odd counter, and the even counter is currently producing an H output. In the next cycle where the odd counter is available, it may happen that the odd counter does not generate an H output due to a cycle slip, so it must wait until the even counter is available to generate the next H output. Don't be. It takes at least three high frequency reference clocks for the even counter to generate H output, and it takes at most three high frequency reference clocks for the odd counter not to generate H output due to cycle slip, so a new H output is generated again. Since a high-frequency reference clock is required at most 6 times before starting, a 6-bit shift register is required.
決定モジュール430の設計のための6つの入力と6ビットシフトレジスタ410を伴うORゲートを使用する結果として、決定出力123がHからLに変わったときからLからHに変わったときまでの間、ORゲートがH出力を有利に扱うので、決定モジュール430の応答時間は等しくない。飽和可能なカウンタの一方からCO404のためにHが生成されるとき、決定出力は直ちにHになる。飽和可能なカウンタからCO404のためにH出力を生成するために高周波基準クロック3回かかるが、6ビットシフトレジスタ410からH出力を除外するのに高周波基準クロック6回必要なので、決定出力123は、HからLよりも速くLからHに変わる。対照的に、図44に示すようにシフトレジスタと加算器を伴うワンショットを使用する決定モジュールの設計は、決定出力123をHからLに変えるのに高周波基準クロックを4〜6回必要とし、あるいは、決定出力123をLからHに変えるのに高周波基準クロックを6〜9回必要とし、図46に示すステートマシンの設計は、決定出力123をLからHに変えるのに高周波基準クロックを6〜9回必要とし、決定出力123をHからLに変えるのに高周波基準クロックを3回必要とする。
As a result of using an OR gate with 6 inputs and a 6-bit shift register 410 for the design of the
PFD132の数を4つまで増やすとすれば、VCO112からのフィードバック信号の周波数が速い場合、周波数比較サイクルにつき4つのリセット信号があり、基準入力信号110の周波数が速い場合、周波数比較サイクルにつき1つのリセット信号がある。サイクルスリップが発生するとき、VCO112からのフィードバック信号の周波数が速いときに、各周波数比較サイクルのリセットパルスの数は3つになりえて、準安定問題によって生じる不確実性に起因して基準入力信号110の周波数が速くなると、リセットパルスの数は2つまたは1つになる。その結果、サイクルスリップと準安定問題があっても、どの信号が速いかがわかる。したがって、全ての周波数比較サイクル終了時に、2つの入力信号のうちどちらがエラーまたは曖昧性のない速い周波数を有するかを、4つ以上のPFD132によって決定できることが明らかである。したがって、全比較サイクルが直ちに新規な比較結果を生成できるので、4つ以上のPFDを使用する周波数比較器の待ち時間遅延時間は短い。
If the number of
第7実施形態に対する第5補足実施形態として、4つのPFD132を使用するデジタル周波数比較器208の例が図50に示される。図50中の設計のための決定回路309は、図44の設計に非常に似ており、16ビット加算器の合計が4かまたは3かを知る必要がある。6ビット加算器の合計が4または3である場合、VCO112からのフィードバック信号の周波数が速すぎるので、遅めなくてはならないことがわかっている。図50に示す設計を使用する唯一の不利な点は、多くのハードウェアが必要であるということである。図51に示す送りレジスタと加算器を使用する設計を伴うハードウェアの量を抑える1つの可能な方法は、ワンショットからの出力224を圧縮することである。一旦、ワンショット224からの出力が圧縮されると、必要なシフトレジスタだけでなく、加算器の量も省くことができる。ワンショットから出力を圧縮する最も簡単な方法は、図52に示すように、ワンショット263からのH出力の期間を延長することである。たとえば、決定モジュールのためのシフトレジスタと加算器を有する4つのPFDが使用されている場合、理論的には、4つの周波数比較サイクルに亘って、ワンショット262からの出力を格納する16ビットシフトレジスタが必要である。ワンショットからの出力が高周波基準クロック周波数261の1/4から1/16の周波数を有するので、ワンショットからの出力のデューティサイクルは1/4から1/16である。ワンショットから1つの期間の代わりに2つの高周波基準クロック周期まで、H出力のための期間の持続時間が延長される場合、ワンショット263からの出力のデューティサイクルは、1/4から1/8に増加される。その結果、高周波基準クロック信号261の全速力により計測される16ビットシフトレジスタ227と16ビット加算器229の代わりに、基準クロック信号261の高周波の周波数の半分で計測される8ビットシフトレジスタ231と8ビット加算器233が必要である。ワンショット263からの出力信号を圧縮するこのシンプルな方法は、オリジナルの非圧縮の設計と同様に動作するが、いくつかのハードウェアを省略できる。第7実施形態に対する第6補足実施形態として、図51は、ハードウェアの量を省略するために圧縮ワンショット出力を使用する設計を例示する。
As a fifth supplemental embodiment to the seventh embodiment, an example of a
全ての上記設計において、PFDの使用回数がNのとき、高周波基準信号261の周波数は基準入力信号110の周波数のN倍でなければならない。周波数比較器のレスポンスが線形であるように、高周波基準信号261は直交信号を正確に生成するために必要である。高周波基準クロック261が利用可能でない場合、遅延ラインまたは、高周波基準クロックを使用することのない必要な直交基準信号を生成する他の手段も使用可能である。しかし、各遅延ラインの遅延時間は、直交基準の位相関係を維持するために慎重に整列配置されなければならない。
In all the above designs, when the PFD usage count is N, the frequency of the high
ビート信号の周波数を測定する必要がないので、これまで示される全非線形周波数比較器の応答時間は速い。どの信号が速いか決定するには、クロックエッジの1スライドスルーしかかからない。スライドスルーが発生する前に、非線形周波数比較器の出力は現状のままである。スライドスルーが決定モジュール309に決定出力123の結果を変更させる場合、非線形周波数ロックループの非線形周波数比較器にとって、エッジの一つのスライドスルーで、周波数回転の方向を変えるのに十分である。基準入力信号110の周波数のN倍である高周波基準信号261を使用しているので、ビート信号の期間にスライドスルーがN倍の頻度で起こる。したがって、非線形周波数比較器の操作は、N回速度が上げられる。より多くのPFDが使われる場合、周波数比較サイクルのリセットパルスの数により多くの差があるので、どの信号が速いかを決めることがより簡単でより速くなる。
Since it is not necessary to measure the frequency of the beat signal, the response time of the all-nonlinear frequency comparator shown so far is fast. Determining which signal is fast takes only one slide-through of the clock edge. Before the slide-through occurs, the output of the nonlinear frequency comparator remains as it is. If the slide-through causes the
周波数の決定メカニズムがロックウィンドウを必要とせず、常に正確であるので、非線形周波数比較器にはデッドバンドもない。非線形周波数比較器の出力は、ハイ(High)またはロー(Low)の一方である。決定は、正確で、エラーがなく、不確実性がない。全てのフリップフロップのトリガーは明確であるので、準安定問題は完全に修正される。図43で示す設計以外のこれらの新規な非線形周波数比較器は、このように、速く正確なバイナリ決定出力123を提供する理想的な周波数比較器である。
Since the frequency determination mechanism does not require a lock window and is always accurate, the nonlinear frequency comparator has no deadband. The output of the nonlinear frequency comparator is either high or low. The decision is accurate, error-free, and uncertain. Since all flip-flop triggers are clear, the metastable problem is completely corrected. These novel non-linear frequency comparators other than the design shown in FIG. 43 are thus ideal frequency comparators that provide a fast and accurate
非線形周波数ロックループが一次ループであるにもかかわらず、非線形周波数ロックループの取得動作が他の一次フィードバック制御ループとは異なるが、実際、フィードバックモジュール105として同じVCOを使用するので、二次非線形到着時間ロックループにより近い。周波数のスライドスルーが生じた後に周波数比較が実行されるので、周波数ロックループの取得プロセスは、スライドスルーの単位が表示される縦軸を有する図53のように示されることができる。2つの入力信号間でビート信号によってスライドスルーが引き起これるので、ビート信号の周波数は、どれくらい速くVCO112からのフィードバック信号が変更され、あるいは基準信号110を通じて回転されるかに依存するので、実際の周波数差によって縦軸を示すことは難しい。縦軸の単位としてスライドスルーの数を使用することによって、非線形周波数ロックループの取得動作の理解が容易にでき、別々の決定出力123軸の使用がVCO112からのフィードバック信号の実際の周波数を考慮できるようになる。スライドスルーとサイクルスリップが、異なる周波数を有する2つの信号間の同じビーティング現象(beating phenomenon)を説明するために使用される。2つの信号間にビーティングが発生するときに、ビート信号と同じ割合で起こるように、サイクルスリップが発生する。周波数検出のために複数のPFDが使用されるので、ビート信号のサイクル中に複数のスライドスルー発生があるので、スライドスルーは、サイクルスリップよりも頻繁に起こる。2つの入力信号間の周波数差が低減される際に、スライドスルーの周波数も低減されるので、一方の信号が一定の割合で他方の信号をスライドスルーするときに、まさに2つの周波数が同期されるときに、スライドスルーの間の時間間隔が長くなる。
Although the non-linear frequency lock loop is a primary loop, the acquisition operation of the non-linear frequency lock loop is different from other primary feedback control loops. Closer to time lock loop. Since a frequency comparison is performed after a frequency slide-through has occurred, the acquisition process of the frequency lock loop can be shown as in FIG. 53 with a vertical axis on which slide-through units are displayed. Since the beat signal causes slide-through between the two input signals, the frequency of the beat signal depends on how fast the feedback signal from the
最初の周波数差が正数であり、VCO112からのフィードバック信号の周波数が最初に正の決定によってポンプアップされ、ビート信号の周波数が遅められているとすれば、スライドスルーは低い頻度で起こり、次第に2つの周波数が同期する。非線形周波数ロックループの取得プロセスは、サイクルスリップフェーズ542と振動フェーズ564の2つのフェーズに分割されることができる。サイクルスリップフェーズ542では、VCO112からのフィードバック信号の周波数は、増加していき、t=To552に発生する最終的な2つの周波数の同期の前に、多くのスライドスルーを通過していく。VCO112からのフィードバック信号が遅い信号であり、非線形周波数比較器がVCO112からのフィードバック信号の周波数をスピードアップし、最終エラー訂正の周波数がVCOの周波数を増加させるので、VCO112からのフィードバック信号の位相は、最初常に直交基準信号110に遅れを取り、非線形周波数比較器がVCO112からのフィードバック信号の周波数がポンプアップされるので、遅れを取る速度は、恒常的に減少される。VCO112からのフィードバック信号の位相が遅れるとき、2つの入力信号間にスライドスルーが生成され、該スライドスルーは、決定出力123のためのH出力を、非線形周波数比較器に生成させる。VCO112からのフィードバック信号が遅い信号であるので、非線形周波数比較器からの決定出力123はH状態である。2つの入力信号間の周波数差が減少されると、スライドスルーはあまり発生しない。結局、最後のスライドスルー(スライドスルー♯1と呼ぶ)が発生した後、2つの入力信号は、時間t=0のT0552で同じ周波数発生を有する。T0552のとき、VCO112からのフィードバック信号の位相はもはや遅れておらず、VCO112からのフィードバック信号の位相は、このときから先に進み始める。なぜなら、VCO112からのフィードバック信号の周波数は、いまだに、増加されているからである。VCO112からのフィードバック信号はスピードアップし続け、To552で周波数同期ポイントの後でも位相が進み続ける。なぜなら、非線形周波数比較器が他のことをするように伝えるためにスライドスルーが生成される前に、非線形周波数比較器からの決定出力123が変更されず、VCO112からのフィードバック信号がスピードアップし続けるからである。VCO112からのフィードバック信号の周波数の増加の方向を反転するためのスライドスルーを生成するために、VCO112からのフィードバック信号の位相がいくつかの位相シフトを通って進むので、該増加の方向を反転するために非線形周波数比較器が新しいスライドスルーを生成するのに時間がかかる。VCO112からのフィードバック信号が新規な決定を生成するために進行するのに必要な時間は、T−1558で最後のスライドスルー♯0が生成されるときと、T0552で2つの入力信号の周波数が同期されるときとの間で、VCO112からのフィードバック信号が通過する時間に等しい。T−1558で最後のスライドスルー♯0が生成されるときと、T0552で2つの入力信号の周波数が同期されるときとの間の位相間期がランダムであって、0からビート信号の2π/Nのどこでもあるので、T−1558でスライドスルー♯0が最後に生成されてから周波数の増加方向を反転するための新しいスライドスルーを生成するためにT0552で2つの入力信号の周波数が同期されるまでの間の同じ位相間期で、VCO112からのフィードバック信号は進行されなくてはならない。その結果、VCOからのフィードバック信号の周波数は、直交基準入力信号110の周波数より高くなり、VCO112からのフィードバック信号の周波数は、t=TA554でスライドスルーが起こって、556で起こるVCO112からのフィードバック信号の周波数を遅くするためのL出力を最終的に非線形周波数比較器に生成させるまで、上昇し続ける。固有のループ遅延時間のために、VCO112からフィードバック信号の周波数は、スピードアップし続け、VCO112からフィードバック信号の周波数を遅くするためにTA554でスライドスルーが生成された後でさえも、スピードアップし続ける。ループ遅延時間が終わった後でさえ、VCO112からのフィードバック信号の周波数は、周波数ノイズの不確実さのために、スピードアップされ続けうる。その結果、VCOからのフィードバック信号の周波数は、ループ遅延時間によって過剰訂正され、最後のスライドスルーが発生するt=TA554のときと、次に周波数が再び同期するt=Ti560のときとの間の間隔は、多分、ループ遅延時間のために、T0552とTA554との間の現在の位相間隔よりも長い。同じプロセスが、それから他方向にも繰り返す。
If the initial frequency difference is a positive number, the frequency of the feedback signal from the
最初の周波数振動サイクルの周期は、T0552で周波数差がゼロのときから始まり、T1560で周波数差が再びゼロになったときに終わり、振動サイクルは、その後永遠に続く。各周波数振動サイクルの間、VCO112からのフィードバック信号の周波数は、その時間の約半分の間スピードアップされ、残りの約半分の時間の間、スローダウンされる。非線形周波数比較器の周波数ノイズよりもループ遅延期間が長い間に周波数の変更が起こった場合、新規な周波数振動サイクルが生成されるときに、周波数振動サイクルの周期が成長し得る。一方、周波数振動サイクルの期間は、安定され、特定のレベルで変動する。
The period of the first frequency oscillation cycle begins when the frequency difference is zero at
その結果、2つの入力周波数が同期するときと、最後のスライドスルーが発生したときとの間の全てのあらゆる後続の位相間隔は、ループ遅延期間が非線形周波数比較器の周波数ノイズ以上の間に周波数が変わる場合、益々長くなる。2つの入力信号が周波数で同期するときと、最後のスライドスルーとの間の位相間隔の成長は、2つの入力信号が周波数で同期するときと、最後のスライドスルーが起こるときとの間の位相間隔が2π/Nよりも長くなり、位相のサイクルスリップが起こるまで続く。サイクルスリップの発生後、2つの入力周波数が同期するときと最後のスライドスルーが発生したときとの間の位相間隔はとても小さい値にリセットされ、2つの入力信号が周波数で同期するときと、最後のスライドスルーとの間の位相間隔の成長工程は、新しいスライドスルー前後で何度も繰り返す。ビート信号に起こるスライドスルーの回数は非線形周波数比較器で使用されるPFDの数と等しいので、VCOからのフィードバック信号の周波数がずっと固定されたままである間、スライドスルーは次々に移動する。 As a result, every subsequent phase interval between when the two input frequencies are synchronized and when the last slide-through occurs is a frequency where the loop delay period is greater than or equal to the frequency noise of the nonlinear frequency comparator. If changes, it becomes longer. The growth of the phase interval between when the two input signals are synchronized in frequency and the last slide-through is the phase between when the two input signals are synchronized in frequency and when the last slide-through occurs The interval lasts longer than 2π / N and continues until a phase cycle slip occurs. After a cycle slip occurs, the phase interval between when the two input frequencies are synchronized and when the last slide-through occurs is reset to a very small value, when the two input signals are synchronized in frequency, and finally The process of growing the phase interval between the slide-through is repeated many times before and after the new slide-through. Since the number of slide-throughs that occur in the beat signal is equal to the number of PFDs used in the non-linear frequency comparator, the slide-through moves one after the other while the frequency of the feedback signal from the VCO remains fixed.
その結果、非線形周波数比較器の決定出力123は完全にランダムに切替えられ、非線形周波数比較器を使用する非線形周波数ロックループのVCO112からのフィードバック信号の周波数はいつも固定された割合で増幅または減少され、VCO112からのフィードバック信号の周波数はループ遅延時間のために常に過剰訂正され、このVCO112からのフィードバック信号の周波数は、スライドスルーが起こった後にランダムに向きを変える。
As a result, the
非線形周波数比較器が信号VCO112の周波数を訂正するために新たな決定信号123を生成することを決定するときと、非線形周波数比較器の入力時に新規なアップデートされた周波数が現れるときとの間に、いくつかの固有のループ遅延時間が常にあるので、非線形周波数比較器に対する入力信号が最終的にアップデートされ、非線形周波数ロックループが確かに振動するときに、VCO112からの信号の周波数は基準入力周波数110の上または下にある。ループの振動周波数は、ループ前後の遅延時間や、非線形周波数比較器からループフィルタ106への充放電電流や、また、ループフィルタ106の時定数により決定される。非線形周波数比較器からの充放電電流およびループフィルタ106の時定数は、クロック信号の周波数拡散にも影響を及ぼし、特に、ループの振動周波数が高いであるときに影響を及ぼす。各振動サイクルのスタートポイントとエンドポイントがループの周波数ノイズにより決定されるので、全振動サイクルのスタートポイントとエンドポイントは異なる。その結果、非線形周波数比較器は、非線形周波数ロックループのVCO108のための真のブロードバンド拡散を提供できる。非線形周波数比較器を伴う非線形周波数ロックループは、このように完全な拡散スペクトラムクロック発生装置になる。
Between when the nonlinear frequency comparator decides to generate a
図示するようにデジタル周波数比較器の全ての設計において、高周波基準クロックは、直交基準信号を生成し、更にリセットパルスモジュール307からのリセットパルスを処理するために必要である。高周波基準クロックがシステムにおいて利用可能でない場合、1つの代替案としては、所望の直交の位相基準を生成するための位相シフタを使用することである。基準信号間の一様でない位相は、一様でない周波数ノイズを生成し、不規則に周波数を拡散するので、位相シフタによる解決策は、是非避けられるべきである。高周波クロックを使用しない他の代替案は、代わりに、周波数比較のための低周波数信号を使用することである。この場合、基準入力信号110のための3分割分周期が使用され、3つの直交低周波数基準比較信号が生成される。ここで、3つの直交低周波数基準比較信号は、VCO112からフィードバック信号の周波数の1/3を有して低周波数VCO信号と比較されるために、基準入力信号110の周波数の1/3の周波数を有する。その結果、非線形周波数比較器からの機械的遅延が多くある。なぜなら、非線形周波数比較器は、基準入力信号110のあらゆる3つのサイクルにおいて新規な決定出力123を生成できるだけであるからである。
As shown, in all digital frequency comparator designs, a high frequency reference clock is required to generate the quadrature reference signal and further process the reset pulse from the
比較期間が長くなりすぎ、クロックの周波数拡散が簡単に制限を超えるので、低比較周波数を使用する欠点は明らかである。この問題の1つの解決策は、VCO112からのフィードバック信号から低周波数VCOの3つの直交コピーも同様に生成することである。そこで、各直交基準比較信号と比較される各直交低周波数VCO信号のための拡散非線形周波数比較器が使用される。したがって、全体では、完全な設計を得るために、第7実施形態に対する第7補足実施形態として図54に示すように、9つのPFDが必要である。これによって、各3つの非線形周波数比較器から、3つの周波数比較決定出力が得られる。それから、過半数による最終決定をする各低周波数比較器からの全ての3つの決定を加算するために、3つのビット加算器を使用できる。その結果、最終の周波数決定出力123は、最初の基準信号110とVCO112からのフィードバック信号と同じ周波数でアップデートされることができるが、この設計を実現するには3倍のハードウェアを必要とする。
The disadvantage of using a low comparison frequency is obvious because the comparison period becomes too long and the frequency spread of the clock simply exceeds the limit. One solution to this problem is to generate three orthogonal copies of the low frequency VCO from the feedback signal from the
N分割分周器を使用することも可能であり、VCO112からのフィードバック信号のN倍に等しい周波数を有する高周波フィードバック信号400からのVCO112からのフィードバック信号を生成できる。ここで、Nは3より大きな数である。第7実施形態に対する第8補足実施形態として、図55に示すように、VCO112からの直交フィードバック信号のN個のコピーを生成するために、高周波フィードバック信号400を使用できる。VCO112からの各直交フィードバック信号を、非線形周波数比較器の基準信号110の3倍の周波数を有する高周波基準比較信号261と比較する。この設計では、周波数比較のために合計3*N個のPFDが必要であり、N個の非線形周波数比較器からのN個の決定出力123からの過半数に基づいて最終周波数比較出力123を生成するために、各N個の非線形周波数比較器からのN個の決定出力123を合計するためにNビット加算器640も必要である。VCOからの高周波フィードバック信号の周波数は、N*Frefに等しくなければならない。Nの数が増加すると、使用するハードウェアの数が急速に増えるにもかかわらず、この設計は、とても独特な効果を奏する。その効果とは、各非線形周波数比較器がFref110の低い周波数で作動されることができ、その一方で、周波数比較の最終の決定はN*Frefの割合でなされるというものである。このユニークな設計によれば、周波数比較がより遅い速度で起こっている場合であっても、急速に周波数比較出力を生成できる。この設計は、位相ロックループに今日使用される少数分周(fractional-N)技術のように小さい周波数ステップでさえ、VCOの周波数が迅速にスイッチされることができる周波数ロックループアプリケーションにとって非常に有用である。
It is also possible to use an N-divider divider and generate a feedback signal from the
図55に示す非線形周波数比較器216の設計における数Nは、好ましくは奇数である。そうすれば、Nビット加算器640の合計を0からNの範囲とすることができる。その結果、周波数比較の決定しきい値は、正確に(N+l)/2に設定され、周波数決定に曖昧性がない。
The number N in the design of the
図55に示すようにN個の非線形周波数比較器216を使用している非線形周波数比較器の設計も、過半数からデジタルバイポーラの決定出力123を生成する代わりに、Nビット加算器640の合計から、線形の重みづけられたエラー出力を生成することによって、N個の非線形周波数比較器を使用する線形周波数検出器に変えることができる。Nビット加算器640からのエラー出力に重み付けるには、多くの可能な方法が考えられる。たとえば、Nビット加算器640のエラー出力への線形重み関数を生成できる。これによって、線形周波数検出器からのエラー出力は、Nビット加算器640の合計に従って、線形的に増加する。N非線形周波数比較器を使用する線形周波数検出器からの線形エラー出力は、それから、エラー出力と等しい固定定数基準(fixed constant reference)によって減じられる。エラー出力は、Nビット加算器640の合計がN/2であるときに、N非線形周波数比較器を使用する線形周波数検出器によって生成される。N非線形周波数比較器と固定定数基準との誤差は、N個の非線形周波数比較器を使用する線形周波数検出器からの所望の最終線形エラー出力である。この線形周波数検出器については、デジタルの完全な周波数復調器、または、小さい周波数ステップでも常に迅速に正確な周波数出力を生成する少数分周周波数シンセサイザを造ることができる。
The nonlinear frequency comparator design using N
N個の非線形周波数比較器を用いてこの線形周波数検出器を造るために、Nは2K−1に等しくなければならない。そうすれば、Nビット加算器640の合計は、0から2K−1の範囲となり、S0、S1、S2...SK−1からKビットで表される。Nビット加算器640の線形重み関数は、S0にとって1、S1にとって2、S2にとって4、SK−1にとって2K−1などであり、固定定数基準は、(2K−1)/2である。したがって、Nビット加算器640の合計は、0から2K−1の範囲の出力を生成し、N非線形周波数比較器を使用する線形周波数検出器から最終の線形エラー出力は、−(2K−1)/2から(2K−1)/2になり、N非線形周波数比較器を使用するこの線形周波数検出器の変換特性は、2K−2分離、等間隔の上昇ステップが線形上昇傾斜を取り替えることを除いて、図37に示す変換特性と類似する。 In order to build this linear frequency detector using N nonlinear frequency comparators, N must be equal to 2 K −1. Then, the sum of the N-bit adder 640 is in the range of 0 to 2 K −1 and S 0 , S 1 , S 2 . . . It is expressed in K bits from SK-1 . Linear weighting function of an N-bit adder 640, and the like 2 K-1 taking into taken 4, S K-1 to 2, S 2 taking taking the S 0 to 1, S 1, fixed constant criterion, (2 K -1) / 2. Thus, the sum of the N-bit adder 640 produces an output in the range of 0 to 2 K −1 and the final linear error output from a linear frequency detector using an N nonlinear frequency comparator is − (2 K − 1) / 2 to (2 K -1) / 2, and the conversion characteristics of this linear frequency detector using an N nonlinear frequency comparator is 2 K -2 separation, evenly spaced ascending steps have a linear ascending slope. Except for replacement, it is similar to the conversion characteristic shown in FIG.
クロックの周波数拡散
拡散スペクトラムクロック発生装置にとって、全ての動作条件を通じて、一定の周波数を維持することは非常に重要である。残念なことに、クロックの周波数拡散は、多くの要素、たとえば製造工程バリエーション、温度および電圧バリエーションに起因して、大いに変化しうる。これらの要素は、クロックの周波数拡散に影響を与える。一定の周波数拡散を維持するために、拡散スペクトラムクロックの周波数拡散を制御する自動フィードバック制御ループを実行することは、非常に望ましい。
It is very important for a clock frequency spread spread spectrum clock generator to maintain a constant frequency throughout all operating conditions. Unfortunately, the frequency spread of the clock can vary greatly due to many factors, such as manufacturing process variations, temperature and voltage variations. These factors affect the frequency spread of the clock. In order to maintain a constant frequency spread, it is highly desirable to implement an automatic feedback control loop that controls the frequency spread of the spread spectrum clock.
周波数拡散を制御するフィードバック制御ループを実行するために、フィードバック信号を提供するための非線形周波数比較器と、周波数拡散を調整するための手段とが必要である。幸運にも、自動フィードバック制御ループに必要な全ての構成は手に入る。たとえば、図40に示す代表的な非線形周波数ロックループを使用でき、または、図13および14に示すように拡散スペクトラムクロック発生装置としてプログラマブル分周器を有する非線形到着時間ロックループを使用できる。プログラマブル分周器を変更することによって、クロックの拡散を簡単に調整できる。または、エラー比較器のための出力ドライバとして、調節可能な出力電流を有し、電荷ポンプ出力電流を変化させることによってクロックの拡散を制御する電荷ポンプが使用できる。周波数拡散が制限の範囲内であるかどうか調べるための非線形周波数比較器も必要である。クロック周波数の拡散が周波数拡散制御サイクルの範囲内の周波数制限を上回る場合、プログラム可能な分周器の分周比を減少させて、または、周波数拡散を低減するためにエラー比較器からループフィルタへの充放電電流を減らす。クロック周波数の拡散が周波数制御サイクルの全周期中の周波数拡散の制限範囲内にある場合、プログラム可能な分周器の分周比を増加させて、または、周波数拡散を増幅するためにループフィルタへの充放電電流を増やす。結局、クロックの周波数拡散が制御されるとき、プログラマブル分周器は、常に2つの数の間で切り換えられ、または、電荷ポンプからの電流出力は絶え間なく2つの設定の間で切り換えられる。周波数拡散制御サイクルは、非常に長い期間、たとえば1秒を有することができる。その理由は、時々、周波数制限比較の結果をチェックして、周波数分割または電荷ポンプ出力電流を調整するだけでよいからである。こうして、クロックの周波数拡散を制御する工程は、拡散スペクトラムクロックを生成する非線形フィードバック制御ループの動作を妨げない。 In order to implement a feedback control loop that controls the frequency spread, a non-linear frequency comparator for providing a feedback signal and means for adjusting the frequency spread are required. Fortunately, you have all the configuration you need for an automatic feedback control loop. For example, a typical non-linear frequency lock loop shown in FIG. 40 can be used, or a non-linear arrival time lock loop with a programmable frequency divider can be used as a spread spectrum clock generator as shown in FIGS. By changing the programmable divider, clock spreading can be easily adjusted. Alternatively, as an output driver for the error comparator, a charge pump having an adjustable output current and controlling clock spreading by changing the charge pump output current can be used. A non-linear frequency comparator is also needed to check if the frequency spread is within limits. If the spread of the clock frequency exceeds the frequency limit within the range of the spread spectrum control cycle, decrease the divide ratio of the programmable divider or from the error comparator to the loop filter to reduce the spread of the frequency Reduce charge and discharge current. If the clock frequency spread is within the frequency spread limits during the entire period of the frequency control cycle, increase the divide ratio of the programmable divider or to the loop filter to amplify the frequency spread Increase the charge / discharge current. Eventually, when the frequency spread of the clock is controlled, the programmable divider is always switched between two numbers, or the current output from the charge pump is constantly switched between the two settings. The spread spectrum control cycle can have a very long period, for example 1 second. The reason is that sometimes it is only necessary to check the result of the frequency limit comparison and adjust the frequency division or charge pump output current. Thus, the step of controlling the frequency spread of the clock does not interfere with the operation of the nonlinear feedback control loop that generates the spread spectrum clock.
実験結果
拡散スペクトラムクロック発生のさまざまな技術を示すための実験回路を作成した。フィードバックモジュール105として同じVCOを使用する非線形到着時間ロックループと非線形周波数ロックループの両方は容易に実行されるので、これらの2つの方法は、拡散スペクトラムクロック発生装置として最も望ましいものである。非線形周波数ロックループは、常にデッドゾーンなく正確にエラー出力123を生成する点で好ましいが、通常非線形到着時間ロックループよりも多くのハードウェアを必要としてしまうので、上記2つの設計にはほとんど差がない。非線形振幅ロックループおよび非線形位相ロックループは、非線形フィードバックモジュール105が使われない限り、単一の周波数で作動されなければならず、通常周波数拡散の代わりに位相拡散を生成するので、通常、他の設計よりも好ましくない。
Experimental results Experimental circuits were created to demonstrate various techniques for generating spread spectrum clocks. These two methods are most desirable as a spread spectrum clock generator because both a non-linear arrival time locked loop and a non-linear frequency locked loop using the same VCO as the
ACTELからのフィールドプログラマブルゲートアレイ42MX16が、全ての論理ゲートを回路に提供するために使われた。42MX16は、論理回路の設計を非常に簡単にするように、全ての論理ゲートとフリップフロップを駆動するために2つのグローバル内部クロックバッファを有する。ミニサーキット社モデルの市販のVCOモジュール、JTOS−1OOが、ループのフィードバックモジュールとして使われた。VCOは、0−5Vから調整されるときに、48から59Mhzまで振動できる。2000pfのバイパスコンデンサは、VCO同調入力でVCOモジュール内部に含まれる。実験回路の概要図は、図56に示す通りである。FPGAとVCOを除いて、試験回路にはほんの少しの部材だけが使用される。ループフィルタは、部品を少なくするために、電荷ポンプのためのバイアスを提供するOPAMPを使用しないシンプルなRC低域フィルタでできている。異なる拡散技術のパフォーマンスを比較しているだけであるので、バイアスがないシンプルなループフィルタを使用するためにショートカットを利用できる。その結果、VCOは、試験周波数が53.08Mhzで固定されるように、VCOは電荷ポンプからバランス充放電電流を維持するために2.5Vの固定されたバイアスで作動されることができるだけである。 A field programmable gate array 42MX16 from ACTEL was used to provide all logic gates to the circuit. The 42MX16 has two global internal clock buffers to drive all the logic gates and flip-flops to greatly simplify the logic circuit design. A commercially available VCO module, JTOS-1OO, modeled after the mini circuit, was used as the loop feedback module. The VCO can oscillate from 48 to 59 Mhz when adjusted from 0-5V. A 2000 pf bypass capacitor is included inside the VCO module at the VCO tuning input. A schematic diagram of the experimental circuit is as shown in FIG. With the exception of FPGAs and VCOs, only a few components are used in the test circuit. The loop filter is made of a simple RC low-pass filter that does not use OPAMP to provide a bias for the charge pump to reduce component count. Since we are only comparing the performance of different diffusion techniques, a shortcut can be used to use a simple loop filter with no bias. As a result, the VCO can only be operated with a fixed bias of 2.5V to maintain the balance charge / discharge current from the charge pump so that the test frequency is fixed at 53.08 Mhz. .
ループフィルタは、100kΩの抵抗と、470pfの外部コンデンサでできている。100kΩの抵抗は、電荷ポンプ出力を25uAに制限する。インバータでできている増幅器が、VCO出力からの信号を増幅するために、1〜4ボルトの間の電圧振幅を伴うレベルまで使用されるので、VCO出力からの信号がFPGAを駆動する。 The loop filter is made of a 100 kΩ resistor and a 470 pf external capacitor. A 100 kΩ resistor limits the charge pump output to 25 uA. An amplifier made of an inverter is used to amplify the signal from the VCO output to a level with a voltage amplitude between 1 and 4 volts, so that the signal from the VCO output drives the FPGA.
6つの異なる非線形比較器が、FPGAに組み込まれる。1.図15に示す到着時間比較器(A1)。2.図18に示すように、到着時間比較器は、両頭の出力を有する(A2)。3.図15に示す到着時間比較器は、9ビットシフトレジスタを有する付加的なデジタルフィルタによって構成され、9ビットシフトレジスタの合計に基づいて決定を生成する。それは、合計が8より大きい場合だけ、電流をL状態からH状態に変えることができ、合計が1より少ない場合だけ、電流をH状態からL状態に変えることができる。このフィルタは、少なくとも7つの基準比較クロック周期をループ遅延に加える(A3)。4.周波数比較器は、図44に示すように基準周波数の1/3で作動される(F1)。5.周波数比較器は、図44に示すように基準周波数の1/3で実行し、A3と同じ決定フィルタを有する(F2)。6.周波数比較器は、図54に示すように、最終の決定を生成するために、3つの低周波数VCO信号を使用する。 Six different non-linear comparators are built into the FPGA. 1. An arrival time comparator (A1) shown in FIG. 2. As shown in FIG. 18, the arrival time comparator has a double-ended output (A2). 3. The arrival time comparator shown in FIG. 15 is constituted by an additional digital filter having a 9-bit shift register and generates a decision based on the sum of the 9-bit shift register. It can change the current from the L state to the H state only if the sum is greater than 8, and it can change the current from the H state to the L state only if the sum is less than one. This filter adds at least seven reference comparison clock periods to the loop delay (A3). 4). The frequency comparator is operated at 1/3 of the reference frequency (F1) as shown in FIG. 5). As shown in FIG. 44, the frequency comparator executes at 1/3 of the reference frequency and has the same decision filter as A3 (F2). 6). The frequency comparator uses three low frequency VCO signals to generate the final decision, as shown in FIG.
VCOの周波数拡散は、2つの条件、低周波数拡散および高周波数拡散で測定された。周波数拡散は、フィードバック信号パスのための異なる分周期を用いて変更された。他のいかなる試行も周波数拡散を調整するためにされず、周波数拡散はループ遅延時間によって完全に決定された。 VCO frequency spreading was measured in two conditions: low frequency spreading and high frequency spreading. The frequency spread was changed using different fractional periods for the feedback signal path. No other attempt was made to adjust the frequency spread, which was completely determined by the loop delay time.
結果は次の通りである。 The results are as follows.
1.低周波数拡散。4分割分周器が基準信号とVCOからの信号の両方に使用され、到着時間ロックループのために比較周波数が現在13.27Mhzである。 1. Low frequency spread. A quadrant divider is used for both the reference signal and the signal from the VCO, and the comparison frequency is currently 13.27 Mhz due to the arrival time lock loop.
2.高周波数拡散。追加的な4分割分周器が基準信号とVCOからの信号の両方に使用され、到着時間ロックループのために比較周波数が現在3.32Mhzである。 2. High frequency spread. An additional quadrant divider is used for both the reference signal and the signal from the VCO, and the comparison frequency is currently 3.32 Mhz due to the arrival time lock loop.
上記の結果から、両頭の出力(A2)を有する到着時間比較器と、周波数比較(F3)のための9つのPFDを使用する周波数比較器の設計とは、全設計の中で最良の2つであることが極めて明確である。 From the above results, the arrival time comparator with double-ended output (A2) and the frequency comparator design using 9 PFDs for frequency comparison (F3) are the best of all designs. It is very clear that
シングルエンドの主力(A1)は、たとえばA3の設計になるように、より多くの機械的遅延がループに加えられない限り、クロックを拡散するのに適していない。A1の設計は、決定閾値の周辺の不確実な範囲で、早くてノイズが多い決定を単に生成しすぎる。 The single-ended mainstay (A1) is not suitable for spreading the clock unless more mechanical delay is added to the loop, for example in the A3 design. The design of A1 simply produces too early and noisy decisions with an uncertain range around the decision threshold.
1つの周波数比較器を使用する代わりに、3つの周波数比較器を使用することは、F1からF3の結果を比較する際に、4dbによって拡散ロスを改善することもできる。これは、周波数拡散がよりランダムで均一に分布されるように、3つの周波数比較器の設計を有するVCOの周波数拡散が3つの独立周波数ノイズソースにより生成されるからである。3つの非線形周波数比較器を使用する設計にとって、各ノイズソースからのノイズに相関関係がないので、全ノイズ出力は無相関のノイズ出力の3倍に等しい。1つの非線形周波数比較器だけを使用する設計を除けば、全ノイズ出力は常に高くなるように、相関性があるノイズ出力の3倍に等しい。 Instead of using one frequency comparator, using three frequency comparators can also improve the diffusion loss by 4db when comparing the results from F1 to F3. This is because the frequency spread of a VCO with three frequency comparator designs is generated by three independent frequency noise sources so that the frequency spread is more random and evenly distributed. For designs using three nonlinear frequency comparators, the total noise output is equal to three times the uncorrelated noise output since the noise from each noise source is uncorrelated. Except for designs that use only one nonlinear frequency comparator, the total noise output is always equal to three times the correlated noise output so that it is always high.
非線形到着時間ロックループと周波数ロックループを使用する拡散スペクトラムクロックは、三角形変調を伴う現在の技術よりもよい30db以上の45dbと同等の大きな拡散ロスを有するクロックを生成できる。拡散ロスがそれほど高くなることができる理由は、クロックが通常は一つの周波数や位相に留まらず、VCOに対する最終エラー訂正出力115の変調信号の振幅、周期および位相はランダムである。非線形到着時間ロックループのあらゆる変調サイクルは異なる。全変調サイクルは、ランダムな位相を伴うランダムな周波数で始まり、他のランダムな位相を伴うランダムな周波数で終わる。その結果、放射されたクロックエネルギーは、300Hzと同等に低い小バンド幅を有するビデオフィルタでしか測定されない。三角形変調を伴う従来の拡散スペクトラムクロックにとって、変調信号を保存するのに十分であるので、100Khzのバンド幅を有するビデオフィルタが通常使われる。非線形フィードバック制御ループを使用する拡散スペクトラムクロック生成器かなかったら、スペクトラムが薄すぎるので、100Khzの小さい時定数を伴うビデオフィルタ中に保存されるものがない。小さいバンド幅を伴うビデオフィルタは、放射されたクロック信号の平均出力を測定する唯一の方法である。
A spread spectrum clock using a non-linear arrival time lock loop and a frequency lock loop can generate a clock with a large spread loss equivalent to 30 db or more 45 db better than current technology with triangle modulation. The reason why the diffusion loss can be so high is that the clock is not usually limited to one frequency or phase, and the amplitude, period and phase of the modulation signal of the final
周波数拡散が大きい場合、拡散スペクトラムクロックの変調周波数は10Khz少なくなる。伝統的に、変調信号の周波数が可聴範囲外にあるように、拡散スペクトラムクロックの変調周波数は30Khzよりも高くなるように選ばれる。非線形フィードバック制御ループの変調信号が現在ランダムノイズであるので、固定周波数を伴う信号の代わりに、ノイズが多い変調信号は、可聴範囲内の通常のノイズのように振る舞うので、たとえ可聴範囲内にあるとしても、顕著な影響がない。 When the frequency spread is large, the modulation frequency of the spread spectrum clock is reduced by 10 Khz. Traditionally, the modulation frequency of the spread spectrum clock is chosen to be higher than 30 Khz so that the frequency of the modulation signal is outside the audible range. Because the modulation signal of the nonlinear feedback control loop is now random noise, instead of a signal with a fixed frequency, the noisy modulation signal behaves like normal noise in the audible range, so it is in the audible range But there is no noticeable effect.
周波数の拡散が大きいときに、クロックの拡散は最も効果的であり、VCOからの信号に対するサイクルスリップは容易に生成されることができる。周波数拡散は、クロックエネルギーを−40dbよりも低く低減するために、少なくとも3%を超える必要がある。小さい拡散は、サイクルスリップを引き起こすのに十分な時間を有さないので、現在の技術よりもはるかに良いけれども、クロックのエネルギーがまだ集中する。これは、小さな周波数拡散、たとえば、たった0.5%の周波数拡散を必要とするアプリケーションにとって問題である。効果的なランダム拡散を伴うこのような小さい周波数拡散要求を生成するために、追加のいくつかの作業を経る必要がある。 When the frequency spread is large, the clock spread is most effective and the cycle slip for the signal from the VCO can be easily generated. The frequency spread needs to exceed at least 3% in order to reduce the clock energy below -40db. Although small spreads do not have enough time to cause cycle slips, the clock energy is still concentrated, although much better than current technology. This is a problem for applications that require a small frequency spread, eg, only 0.5% frequency spread. In order to generate such a small frequency spread request with effective random spread, some additional work needs to be done.
効果的なランダム拡散を小さい周波数拡散クロック信号に提供する一つの方法は、最初に、より高いパーセンテージの周波数拡散を有する高い周波数クロック信号を生成する周波数混合器を使用し、それから、図57に示すように所望の周波数拡散を有する所望のクロック周波数を有する出力を生成するために、高周波数クロック信号を小さく分割するための分周器を使用することである。最初に、Δfの周波数拡散を有する低周波数クロック信号Foutと周波数拡散を有しないが所望の低周波数クロック信号Fout109のN−1倍と等しい周波数を有する高周波数クロック信号とを生成するとして、これらの2つの信号を混合するために周波数混合器612を使用する場合、該混合器の出力からのΔf周波数拡散を有する所望の低周波数クロック信号の周波数のN倍の高周波数クロック信号を抽出できる。それから、所望の周波数Fout109を有するクロックを生成するために、N分割分周器616を使用でき、その所望のクロックの周波数拡散は、たったΔf/Nになる。5%の周波数拡散を伴う低周波数クロックの最初の拡散ロスが−45dbで、N=10が選択されたとして、0.5%の拡散を伴う所望のクロックの拡散ロスは、−35dbとなり、これは、現在の技術によって生成される拡散ロスよりもまだ高い。この方法は、多くのハードウェアを必要とするが、それは優れた拡散ロスを有する低い拡散クロックを与えるものではない。
One way to provide effective random spread to a small frequency spread clock signal is to first use a frequency mixer that produces a high frequency clock signal with a higher percentage of frequency spread and then shown in FIG. In order to produce an output having a desired clock frequency with a desired frequency spread, a divider is used to divide the high frequency clock signal into smaller parts. First, generate a low frequency clock signal F out with a frequency spread of Δf and a high frequency clock signal that has no frequency spread but has a frequency equal to N−1 times the desired low frequency
小さい周波数拡散を有する拡散スペクトラムクロックのための拡散ロスを増やす他の方法は、作為的にサイクルスリップを加えることになっている。上述のように、最終エラー訂正出力信号115の拡散変調信号をリセットできるので、最終エラー訂正出力115上の変調信号の振幅、周波数および位相は完全にランダムである。小さい周波数拡散を伴う拡散スペクトラムクロック発生装置にとって、最終エラー訂正出力信号115の拡散がサイクルスリップを生成するのに十分長くないので、最終エラー訂正出力信号115の変調信号の振幅は、小さい範囲で変動できるだけなので、拡散ロスは小さい。幸運にも、非線形フィードバック制御ループ116および120が振動位相564において作動されるときに、閉ループゲインの極性が無関係であるという事実を利用することによって、サイクルスリップは、拡散スペクトラムクロック発生装置に作為的に加えられることが可能である。閉ループゲインの極性が無関係であるので、決定出力信号123の極性が逆転されても、非線形フィードバック制御ループ116および120はまだ振動できる。決定出力信号123の極性を逆転させることは、それが最終エラー訂正出力115の拡散変調信号に非同期的およびランダムに起こったときに、拡散スペクトラムクロック発生装置に多くの短周波数拡散を生成できる。これは、最終のエラー訂正信号115上の変調信号のリセットによって生じる短周波数拡散と同様である。決定出力信号123の極性を逆転させることは、実質的に、最終エラー訂正出力115の拡散変調波形を生成するための方向をフィードバックモジュール105の方に逆転させることである。その結果、最終のエラー訂正信号115の変調信号の振幅は、ゼロと最終エラー訂正出力115の拡散変調信号のピークとの間でランダムであり、最終エラー訂正出力115の拡散変調波の周波数と位相の両者もランダムであるので、拡散ロスが非常に増加する。図58および図59は、拡散ロスを増加する人為的なサイクルスリップを生成する決定出力信号123にスイッチングするランダムな極性を有する非線形フィードバック制御ループを使用する拡散スペクトラムクロック発生装置のブロック図である。これらのブロック図では、フォワードモジュール163を駆動する最終の決定出力信号604として、単極−双投式スイッチ600が、通常の決定出力信号123または逆転した決定出力信号の一方を選択するために使用される。スイッチ600の動作と最終の決定出力604の状態とは、ランダムチップ発生装置602からの出力信号の状態により決定される。ランダムチップ発生装置602は、ランダムにHおよびL状態を切り換える一連のデジタル信号を生成する。スイッチ600は、ランダムチップ発生装置602からの出力信号がLであるとき、通常の決定出力123を最終の決定出力604として選択し、ランダムチップ発生装置602からの出力信号がHであるとき、逆転した決定出力を最終の決定出力604として選択する。最終エラー訂正出力115の拡散変調信号からフィードバックモジュール105までの期間よりも長く、スイッチ600は、通常、HまたはLの一方のレベルに留まる。
Another way to increase spread loss for spread spectrum clocks with small frequency spread is to artificially add cycle slip. As described above, since the spread modulation signal of the final error
図58および図59に示すような、非線形フィードバック制御ループ606および608を使用する拡散スペクトラムクロック発生装置に人為的にサイクルスリップを付加する技術は、拡散ロスを増加させる他の技術を用いて他の拡散スペクトラムクロック発生装置にも同様に適用できる。この技術から簡単に恩恵を受ける一つの技術は、クロックを拡散するためにルックアップテーブルを使用する技術である。この技術では、クロックに対する周波数拡散量は、ルックアップテーブルに格納されている公式によって決定され、拡散クロックは、VCOを調節するための所望の拡散変調信号を生成するテーブルに格納された公式を順番にクロックアウトし、VCOへの拡散変調信号は通常、反復的な決定性信号である。反復的な決定性信号を用いても、ルックアップテーブルに格納される公式をクロックアウトする方向をランダムに反転することによって、サイクルスリップは追加されることができるので、ルックアップテーブルに格納される拡散変調信号をクロックアウトするためのクロック信号の方向を逆転することは、多くの周波数拡散を生成し、その決定性変調信号の振幅、周波数および位相がランダムになる。その結果、最終エラー訂正出力115の拡散変調信号の振幅は、ゼロと反復的な決定性拡散変調信号のピークとの間でランダムになり、拡散変調波形の周波数および位相もランダムとなり、したがって、拡散ロスが非常に増加する。
Techniques for artificially adding cycle slips to spread spectrum clock generators using non-linear
最終エラー訂正出力115の拡散変調機能を生成するために、拡散スペクトラムクロック発生装置のフィードバックモジュール105に、ランダムに方向を逆転させることは、フィードバックモジュール105への最終エラー訂正出力115上の拡散変調信号がランダムであるか決定的であるかに関わらず、拡散スペクトラムクロック発生装置の拡散ロスを増やすためのランダム拡散を生成するのに効果的な方法である。
In order to generate the spread modulation function of the final
F1とF3との結果を比較すると、より多くの周波数比較器を使用することが拡散ロスを改善できることは、全く明白である。理論的には、より多くの周波数比較器を使う程、拡散ロスは更に改善されることができる。拡散ロスの改善は、Nが最終の完全な非線形周波数比較器216のために使用される非線形周波数比較器の数である場合、log10(N)に比例していなければならない。したがって、図55に示す設計は、より多くのハードウェアを要求するが、非線形周波数比較器216のための最高の設計である。この設計において、最終の決定出力123は、N個の非線形周波数比較器の出力からの多数決に基づくバイナリ出力である。
Comparing the results of F1 and F3, it is quite obvious that using more frequency comparators can improve the spreading loss. Theoretically, the spreading loss can be further improved as more frequency comparators are used. The improvement in diffusion loss must be proportional to log 10 (N), where N is the number of nonlinear frequency comparators used for the final fully
PC、ラップトップ、プリンタ、デジタルカメラおよび携帯電話などの一般電子機器の分野では、クロックとその高調波からの誤った放射のFCC要求に受かるために十分な拡散を提供する間でさえも、最小量の周波数拡散しか伴わない安定クロックに対する大きな要求がある。これらの製品は、価格が低い製品をより短い時間で市場に提供することによって、本発明から多大な利益を受ける。 In the field of general electronic equipment such as PCs, laptops, printers, digital cameras and mobile phones, even while providing sufficient spreading to accept FCC requirements for false emissions from the clock and its harmonics There is a great demand for stable clocks with only a certain amount of frequency spreading. These products benefit greatly from the present invention by providing low-priced products to the market in less time.
100、116、120 フィードバック制御ループ、
101 エラー検出器、
102 拡散ロス、
103 差分ブロック、
104 フィードバック制御ループ、
105 フィードバックモジュール、
106 ループフィルタ、
107 ゲインブロック、
109 拡散スペクトラムクロック出力、
110 基準信号、
111 分周器、
112 フィードバック出力、
113 開ループゲイン、
114 エラー入力、
115 エラー訂正信号、
117 エラー出力、
118 エラー比較器、
119 フリップフロップ、
122 フリップフロップ、
123 デジタル決定出力、
124 フリップフロップ、
125 基準電圧、
126 ANDゲート、
127 ソーシング電荷ポンプ、
128 リセット信号、
129 シンキング電荷ポンプ、
130 無限ゲインを伴う増幅器、
131 振幅制限増幅器、
135 拡散スペクトラムクロック発生装置、
136 AND論理ゲート、
137 フィードバックモジュール、
138 OR論理ゲート、
139 振幅比較器、
140 OR論理ゲート、
141 AND論理ゲート、
142 極性選択モジュール、
144 極性決定出力、
145 排他的ORゲート、
146 片端電荷ポンプ、
148 非線形到着時間比較器、
149 両端電荷ポンプ、
150 拡散スペクトラムクロック発生装置、
151 非線形到着時間ロックループ、
152 拡散スペクトラムクロック発生装置、
155 線形到着時間検出器、
156 出力ラッチ、
158 遅延バッファ、
159 決定フリップフロップ、
160 不確実性時間枠、
161 拡散ロス、
163 フォワードモジュール、
166 非線形位相ロックループ、
169 非線形到着時間比較器、
170 アナログ線形位相検出器、
170 線形位相検出器、
171 非線形位相ロックループ、
172 可変遅延回路、
172 線形可変遅延回路、
174 デジタル、
174 デジタル線形位相検出器、
176 非線形位相比較器、
178 線形位相検出器、
180 線形到着時間検出器、
181 決定出力ラッチ、
182 到着時間検出器、
183 極性ラッチ出力、
184 サンプリングクロック、
187 位相検出器出力、
188 平均化コンデンサ、
189 到着時間比較器、
190 到着時間比較器、
192 奇数クロック、
194 デジタル線形周波数検出器、
196 非線形周波数ロックループ、
199 偶数クロック、
200 デジタル周波数比較器、
208 デジタル周波数比較器、
213 拡散スペクトラムクロック発生装置、
214 拡散スペクトラムクロック発生装置、
216 非線形周波数比較器、
219 フリップフロップ、
220 非線形周波数比較器、
221 フリップフロップ、
222 トリガー信号、
223 ビート信号、
224 ワンショット、
226 シフトレジスタ、
228 加算器、
230 制御、
231 ビットシフトレジスタ、
232 モジュール、
233 ビット加算器、
234 モジュール、
237 マルチプレクサ、
239 ラッチ、
250 イネーブル信号、
256 入力、
258 リセット出力信号、
260 分周器、
261 基準クロック信号、
262 ワンショット、
264 出力ラッチ、
305 直交モジュール、
307 リセットモジュール、
309 決定回路、
316 フリップフロップ、
320 分割分周器、
330 ステートマシン、
400 高周波フィードバック信号、
404 出力、
406 カウンタ、
408 イネーブル出力信号、
410 シフトレジスタ、
430 決定モジュール、
542 サイクルスリップフェーズ、
542 取得フェーズ、
564 振動フェーズ、
564 振動位相、
600 スイッチ、
600 双投式スイッチ、
602 ランダムチップ発生装置、
604 決定出力、
606 非線形フィードバック制御ループ、
612 周波数混合器、
616 分割分周器、
640 ビット加算器。
100, 116, 120 feedback control loop,
101 error detector,
102 diffusion loss,
103 difference block,
104 feedback control loop,
105 feedback module,
106 loop filter,
107 gain block,
109 Spread spectrum clock output,
110 reference signal,
111 divider,
112 feedback output,
113 open loop gain,
114 Error input,
115 error correction signal,
117 error output,
118 error comparator,
119 flip-flop,
122 flip-flops,
123 digital decision output,
124 flip-flops,
125 reference voltage,
126 AND gate,
127 sourcing charge pump,
128 reset signal,
129 sinking charge pump,
130 Amplifier with infinite gain,
131 amplitude limiting amplifier,
135 spread spectrum clock generator,
136 AND logic gate,
137 feedback module,
138 OR logic gate,
139 Amplitude comparator,
140 OR logic gate,
141 AND logic gate,
142 polarity selection module,
144 polarity determination output,
145 exclusive OR gate,
146 single-ended charge pump,
148 Nonlinear arrival time comparator,
149 charge pump at both ends,
150 spread spectrum clock generator,
151 Nonlinear arrival time lock loop,
152 spread spectrum clock generator,
155 linear arrival time detector,
156 output latch,
158 delay buffer,
159 decision flip-flop,
160 uncertainty window,
161 Diffusion loss,
163 Forward module,
166 nonlinear phase-locked loop,
169 Nonlinear arrival time comparator,
170 analog linear phase detector,
170 linear phase detector,
171 nonlinear phase-locked loop,
172 variable delay circuit,
172 linear variable delay circuit,
174 Digital,
174 digital linear phase detector,
176 nonlinear phase comparator,
178 linear phase detector,
180 linear arrival time detector,
181 decision output latch,
182 arrival time detector,
183 polarity latch output,
184 sampling clock,
187 phase detector output,
188 averaging capacitor,
189 arrival time comparator,
190 Arrival time comparator,
192 odd clock,
194 digital linear frequency detector,
196 Nonlinear frequency lock loop,
199 even clock,
200 digital frequency comparator,
208 digital frequency comparator,
213 spread spectrum clock generator,
214 spread spectrum clock generator,
216 nonlinear frequency comparator,
219 flip-flop,
220 nonlinear frequency comparator,
221 flip-flop,
222 Trigger signal,
223 beat signal,
224 one shot,
226 shift register,
228 adder,
230 control,
231 bit shift register,
232 modules,
233 bit adder,
234 modules,
237 multiplexer,
239 latch,
250 enable signal,
256 inputs,
258 reset output signal,
260 divider,
261 reference clock signal,
262 one shot,
H.264 output latch,
305 orthogonal module,
307 reset module,
309 decision circuit,
316 flip-flop,
320 divider,
330 state machine,
400 high frequency feedback signal,
404 output,
406 counter,
408 enable output signal,
410 shift register,
430 decision module,
542 cycle slip phase,
542 acquisition phase,
564 vibration phase,
564 vibration phase,
600 switches,
600 double throw switch,
602 random chip generator,
604 decision output,
606 a non-linear feedback control loop;
612 frequency mixer,
616 Divider,
640 bit adder.
Claims (11)
前記非線形エラー比較器(118)の出力端子に連結される入力端子を有するフィードバック制御ループ(116)と、
前記非線形エラー比較器(118)の第2入力端子に連結される前記フィードバック制御ループ(116)の出力端子と、
を有し、
前記非線形エラー比較器(118)は、基準信号(110)周辺でランダムに振動する前記フィードバック制御ループ(116)の前記出力端子から出力されるフィードバック信号を、前記フィードバック制御ループ(116)が生成するように、無限の閉ループゲインを生成する拡散スペクトラムクロック信号発生装置。 A non-linear error comparator (118) having a first input terminal and receiving a reference signal (110) at the first input terminal;
A feedback control loop (116) having an input terminal coupled to the output terminal of the nonlinear error comparator (118);
An output terminal of the feedback control loop (116) coupled to a second input terminal of the nonlinear error comparator (118);
Have
The non-linear error comparator (118) generates a feedback signal output from the output terminal of the feedback control loop (116) that randomly vibrates around a reference signal (110). Thus, a spread spectrum clock signal generator that generates an infinite closed-loop gain.
前記非線形エラー比較器(118)の第1入力端子に提供される前記基準信号(110)と前記非線形エラー比較器(118)の第2入力端子で受信される信号(112)とを比較し、当該比較の結果に基づいてエラー入力値(114)を生成する差分ブロック(103)と、
前記エラー入力値(114)の値に関わらず、前記非線形エラー比較器(118)の前記出力端子において、前記エラー入力値(114)を受信し、前記バイポーラデジタル決定出力(123)を生成する利得ブロック(107)と、
をさらに含む請求項1記載の拡散スペクトラムクロック信号発生装置。 The non-linear error comparator (118)
Comparing the reference signal (110) provided at a first input terminal of the nonlinear error comparator (118) with a signal (112) received at a second input terminal of the nonlinear error comparator (118); A difference block (103) that generates an error input value (114) based on the result of the comparison;
Regardless of the value of the error input value (114), the gain for receiving the error input value (114) and generating the bipolar digital decision output (123) at the output terminal of the nonlinear error comparator (118) Block (107);
The spread spectrum clock signal generator according to claim 1, further comprising:
前記基準信号(110)を出力するアウトプットを有する直交モジュール(305)と、
前記基準入力信号(110)を受信するために連結されるリセットパルスモジュール(307)と、
前記リセットパルスモジュールと連結され、前記バイポーラ決定出力(123)を出力する決定モジュール(309)と、
を含む請求項3記載の拡散スペクトラムクロック信号発生装置。 The nonlinear frequency comparator (200) includes:
An orthogonal module (305) having an output for outputting the reference signal (110);
A reset pulse module (307) coupled to receive the reference input signal (110);
A decision module (309) coupled to the reset pulse module and outputting the bipolar decision output (123);
The spread spectrum clock signal generator according to claim 3.
前記非線形エラー比較器(118)の出力端子に、フィードバック制御ループ(116)の入力端子を連結する工程と、
前記非線形エラー比較器(118)の第2入力端子に、前記フィードバック制御ループ(116)の出力端子を連結する工程と、
前記フィードバック制御ループ(116)に、無限の閉ループゲインを生成し、その結果、基準入力信号(110)周辺でランダムに振動する前記フィードバック制御ループ(116)の前記出力端子から出力されるフィードバック信号を、前記フィードバック制御ループ(116)が生成するように、振動を生成する工程と、
を有する拡散スペクトラムクロック信号発生方法。 Providing a reference signal (110) to a first input terminal of the nonlinear error comparator (118);
Coupling an input terminal of a feedback control loop (116) to an output terminal of the nonlinear error comparator (118);
Coupling an output terminal of the feedback control loop (116) to a second input terminal of the nonlinear error comparator (118);
An infinite closed loop gain is generated in the feedback control loop (116), and as a result, a feedback signal output from the output terminal of the feedback control loop (116) that oscillates randomly around the reference input signal (110). Generating a vibration such that the feedback control loop (116) generates;
A spread spectrum clock signal generation method comprising:
前記非線形エラー比較器(118)の第1入力端子に提供される前記基準信号(110)と前記非線形エラー比較器(118)の第2入力端子で受信される信号(112)とを比較し、当該比較の結果に基づいてエラー入力値(114)を生成する工程と、
前記エラー入力値(114)の値に関わらず、前記非線形エラー比較器(118)の前記出力端子において、前記バイポーラデジタル決定出力(123)を生成する工程と、
を含む請求項6記載の拡散スペクトラムクロック信号発生方法。 Generating an infinite closed-loop gain in the feedback control loop (116);
Comparing the reference signal (110) provided at a first input terminal of the nonlinear error comparator (118) with a signal (112) received at a second input terminal of the nonlinear error comparator (118); Generating an error input value (114) based on the result of the comparison;
Generating the bipolar digital decision output (123) at the output terminal of the nonlinear error comparator (118) regardless of the value of the error input value (114);
The spread spectrum clock signal generation method according to claim 6.
非線形周波数比較器(200)を含む請求項7記載の拡散スペクトラムクロック信号発生方法。 The non-linear error comparator (118)
8. A spread spectrum clock signal generation method according to claim 7, comprising a non-linear frequency comparator (200).
前記非線形エラー比較器(118)の第1入力端子に提供される前記基準信号(110)と前記非線形エラー比較器(118)の第2入力端子で受信される信号(112)とを比較し、当該比較の結果に基づいてエラー入力値(114)を生成する差分ブロック(103)と、
前記エラー入力値(114)の値に関わらず、前記非線形エラー比較器(118)の前記出力端子において、前記エラー入力値(114)を受信し、前記バイポーラデジタル決定出力(123)を生成する利得ブロック(107)と、
を含む請求項8記載の拡散スペクトラムクロック信号発生方法。 The non-linear error comparator (118)
Comparing the reference signal (110) provided at a first input terminal of the nonlinear error comparator (118) with a signal (112) received at a second input terminal of the nonlinear error comparator (118); A difference block (103) that generates an error input value (114) based on the result of the comparison;
Regardless of the value of the error input value (114), the gain for receiving the error input value (114) and generating the bipolar digital decision output (123) at the output terminal of the nonlinear error comparator (118) Block (107);
The spread spectrum clock signal generation method according to claim 8.
前記基準信号(110)を出力するアウトプットを有する直交モジュール(305)と、
前記基準入力信号(110)を受信するために連結されるリセットパルスモジュール(307)と、
前記リセットパルスモジュールと連結され、前記バイポーラ決定出力(123)を出力する決定モジュール(309)と、
を含む請求項9記載の拡散スペクトラムクロック信号発生方法。 The nonlinear frequency comparator (200) includes:
An orthogonal module (305) having an output for outputting the reference signal (110);
A reset pulse module (307) coupled to receive the reference input signal (110);
A decision module (309) coupled to the reset pulse module and outputting the bipolar decision output (123);
10. The spread spectrum clock signal generation method according to claim 9, further comprising:
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